范華全，王富友，何 銳，陳 欣，楊 柳 400038 重慶，陸軍軍醫(yī)大學(xué)(第三軍醫(yī)大學(xué))第一附屬醫(yī)院關(guān)節(jié)外科

創(chuàng)傷、感染、腫瘤、骨溶解以及各種先天性疾病是造成髖臼骨缺損的主要原因，而相應(yīng)的髖臼骨缺損重建是人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)時(shí)面臨的難題。合適的材料選擇和假體制備是手術(shù)成功的關(guān)鍵。鉭金屬具有良好的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能，是一種理想的骨替代修復(fù)材料。通過(guò)調(diào)節(jié)多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)可以制備彈性模量介于松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨之間的植入假體，避免應(yīng)力遮擋。高摩擦系數(shù)，可提高植入體的初期穩(wěn)定性，而通過(guò)仿骨小梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可誘導(dǎo)新生骨組織長(zhǎng)入。目前臨床上多采用Zimmer公司氣相沉積工藝制造的多孔鉭金屬骨缺損假體，雖然已在臨床應(yīng)用二十多年，但存在相應(yīng)假體的形狀難以與骨缺損形狀匹配、術(shù)中使用骨銼修型時(shí)產(chǎn)生更多的骨量丟失以及感染風(fēng)險(xiǎn)等一系列問(wèn)題。3D打印能很好地成型復(fù)雜的幾何形狀，且在真空環(huán)境下采用電子束作為能量源制備多孔假體具有成形效率高、避免氣體氧化和雜質(zhì)污染等優(yōu)勢(shì)。本團(tuán)隊(duì)在 “十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃增材制造專(zhuān)項(xiàng)的資助下，開(kāi)發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電子束選區(qū)融化(SEBM)增材制造裝備(Y150型)，并利用該裝備成功制備了多孔鉭金屬髖臼骨缺損假體。本院關(guān)節(jié)外科在2018年6-12月采用該多孔鉭金屬假體修復(fù)了4例Paprosky ⅡB型髖臼骨缺損的患者，并進(jìn)行術(shù)后隨訪，觀察短期臨床效果，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡≥18歲，性別不限；②有終末期髖關(guān)節(jié)疾病需要施行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)且伴有Paprosky ⅡB型髖臼骨缺損的患者；③患者及家屬簽署知情同意書(shū)，同意參加臨床試驗(yàn)。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①伴有活動(dòng)性感染、嚴(yán)重凝血功能障礙不適宜手術(shù)者；②心肺功能較差不能耐受手術(shù)者；③鉭金屬過(guò)敏者；④患惡性腫瘤等疾病可能影響術(shù)后隨訪；⑤神經(jīng)肌肉功能不全，會(huì)導(dǎo)致術(shù)后髖關(guān)節(jié)不穩(wěn)定或步態(tài)異常者。

1.2 一般資料

采用納排標(biāo)準(zhǔn)篩選2018年6-12月收治的4例Paprosky ⅡB型髖臼骨缺損的患者。入組的4例患者分別表示為A、B、C、D。相關(guān)信息如年齡、性別、骨缺損分型、癥狀、病程等見(jiàn)表1。臨床試驗(yàn)方案通過(guò)陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)KY201908)，所有臨床試驗(yàn)方案符合倫理學(xué)規(guī)范。

表1 3D打印多孔鉭金屬髖臼骨缺損假體植入患者的基本信息

患者年齡/歲性別骨缺損分型癥狀病程/年A40女Paprosky ⅡB型疼痛和功能障礙33B46女Paprosky ⅡB型疼痛10C53女Paprosky ⅡB型疼痛和功能障礙2D41男Paprosky ⅡB型疼痛和功能障礙20

1.3 髖臼骨缺損假體設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

1.3.1 影像檢查及三維重建 入組患者接受X線(德國(guó)西門(mén)子數(shù)字化Axiom Aristos VX Plus設(shè)備)在站立位拍攝，X線正位片見(jiàn)圖1。

圖1 髖臼骨缺損患者術(shù)前X線正位片

使用(德國(guó)西門(mén)子的SOMATOM Definition)CT掃描設(shè)備在患者平躺狀態(tài)下掃描全骨盆至股骨遠(yuǎn)端20.0 cm，掃描參數(shù)為球管電壓120 kV、電流200 mA、層間距1.0 mm、層厚1.0 mm。所有的影像學(xué)數(shù)據(jù)通過(guò)INFINITT軟件轉(zhuǎn)成DICOM格式，使用U盤(pán)存儲(chǔ)備用。將患者薄層掃描數(shù)據(jù)以CT影像DICOM格式導(dǎo)入Mimics Innovation Suite 19.0軟件，通過(guò)閾值劃分、動(dòng)態(tài)分割生成左右側(cè)骨盆、骶骨和左右側(cè)股骨的三維圖像，其髖臼骨缺損情況如圖2，同時(shí)將其以STL格式導(dǎo)出備用。

箭頭示需重建的骨缺損區(qū)域圖2 髖臼骨缺損矢狀位視圖

1.3.2 髖臼骨缺損假體的設(shè)計(jì) 將骨盆及左右側(cè)股骨STL數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G NX 11.0中，模擬人處于站立位轉(zhuǎn)臺(tái)，將骨盆正置，在真臼位置模擬髖臼杯放置位置，髖臼后外側(cè)顯露出骨缺損。根據(jù)骨缺損的區(qū)域設(shè)計(jì)出與骨盆完全匹配的月牙狀骨缺損假體，見(jiàn)圖3。在骨缺損假體上設(shè)計(jì)3個(gè)用于固定的螺釘孔，孔徑為5.0 mm。人體松質(zhì)骨彈性模量0.1～1.5 GPa，皮質(zhì)骨彈性模量12～18 GPa，為避免應(yīng)力遮擋，應(yīng)將髖臼骨缺損假體設(shè)計(jì)為多孔結(jié)構(gòu)(孔徑0.35 mm、絲徑0.70 mm、孔隙率75%)，將彈性模量降至3 GPa左右，界于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨彈性模量之間。多孔結(jié)構(gòu)有助于骨細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)。螺釘孔外擴(kuò)1.5 mm實(shí)體結(jié)構(gòu)，以保證植入螺釘時(shí)骨缺損假體不會(huì)碎裂。

圖3 設(shè)計(jì)的髖臼骨缺損假體

1.3.3 髖臼骨缺損多孔鉭金屬假體制備 目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者制備多孔鉭金屬假體的主要方法有：氣相沉積法、有機(jī)泡沫浸漬法、粉末燒結(jié)法和激光快速成形等，本團(tuán)隊(duì)采用電子束選區(qū)融化增材制造設(shè)備(Sailong-Y150)成形多孔鉭骨缺損假體，設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。通過(guò)逐層打印、層層堆積的方式，將多孔鉭打印成形。成形后的多孔鉭在真空環(huán)境中緩慢冷卻，待零件冷卻至室溫后出爐，將成形底板上的粉塊轉(zhuǎn)移至粉末回收系統(tǒng)中，用夾雜著鉭粉的高壓氣體吹多孔鉭骨缺損假體，以去除多孔鉭零件表面及內(nèi)部未熔化的金屬鉭粉末，使用專(zhuān)用工具去除支撐結(jié)構(gòu)后，置入超聲波清洗機(jī)中清洗取出，見(jiàn)圖4。

表2 電子束選區(qū)融化增材制造設(shè)備參數(shù)

項(xiàng)目設(shè)備參數(shù)外形尺寸2000 mm×1200 mm×2150 mm成形倉(cāng)尺寸200 mm×200 mm×300 mm最大成形尺寸150 mm×150 mm×200 mm鋪粉厚度35～200 μm電子束束斑直徑≤0.2 mm成形零件尺寸精度±0.3 mm設(shè)備極限真空≤9.5×10-4 Pa

圖4 3D打印多孔鉭髖臼骨缺損假體

1.4 手術(shù)方法

術(shù)前行常規(guī)雙髖正、側(cè)位的X線片及CT檢查，并進(jìn)行常規(guī)胸片、血常規(guī)、生化、心電圖、凝血功能、心肺功能等檢查，評(píng)估患者的重要臟器功能。術(shù)中采用腰硬聯(lián)合阻滯麻醉，患者取側(cè)臥位，常規(guī)消毒鋪單，作患部后外側(cè)切口長(zhǎng)約15 cm，依次切開(kāi)皮膚、皮下組織，分離肌肉后顯露大粗隆，露出真臼。對(duì)照術(shù)前計(jì)劃，使用克氏針定位真臼磨挫點(diǎn)，透視定位確認(rèn)真臼位置，使用小號(hào)銼小心磨銼髖臼至適當(dāng)髖臼杯型號(hào)，脈沖沖洗器反復(fù)沖洗髖臼骨床，保持前傾15°，外翻45°置入適當(dāng)髖臼杯，臼杯穩(wěn)定，植入兩顆松質(zhì)骨螺釘。將3D打印鉭金屬骨缺損假體置于髖臼頂部(圖5)，多孔鉭金屬假體與髖臼之間植入松質(zhì)骨，3D打印鉭金屬骨缺損假體的螺釘孔鉆入克氏針2枚，調(diào)整位置可后，擰入松質(zhì)骨螺釘3顆。修整股骨髓腔入口，鉆入3 mm克氏針1枚，透視定位可見(jiàn)導(dǎo)針位于髓腔內(nèi)部，沿克氏針?lè)较蜷_(kāi)髓腔，逐級(jí)擴(kuò)大髓腔鉆直徑至適當(dāng)股骨柄型號(hào)，透視可見(jiàn)試模位置良好，隨后植入股骨柄假體。觀察髖關(guān)節(jié)置換假體及骨缺損假體，位置可。脈沖沖洗器反復(fù)沖洗傷口，清點(diǎn)紗布器械無(wú)誤后放置負(fù)壓引流管1根，于關(guān)節(jié)腔內(nèi)部置入穩(wěn)可信2 g，緊密縫合關(guān)閉闊筋膜及臀肌筋膜，逐層縫合皮下、皮膚。無(wú)菌敷料及彈力繃帶加壓包扎。術(shù)后給予藥物鎮(zhèn)痛和抗感染治療，打開(kāi)引流管閥門(mén)后無(wú)明顯血性液體滲出后，隨拔掉引流管。叮囑患者加強(qiáng)功能鍛煉，及早下地行走預(yù)防深靜脈血栓。

A：術(shù)中假體植入；B:術(shù)中C臂片圖5 植入3D打印多孔鉭髖臼骨缺損假體

1.5 隨訪及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.5.1 髖關(guān)節(jié)功能評(píng)價(jià) Harris髖關(guān)節(jié)評(píng)分，滿(mǎn)分100分，90分以上為優(yōu)良，80～89分為較好，70～79分為可，小于70分為差。

1.5.2 生活質(zhì)量改善評(píng)價(jià) 術(shù)前術(shù)后記錄患者髖關(guān)節(jié)疼痛視覺(jué)模擬量表(visual analog scale, VAS)評(píng)分，分值區(qū)間為0～10分，分值越低代表疼痛程度越輕。SF-36生活質(zhì)量評(píng)分，由8個(gè)維度組成(生理機(jī)能、生理職能、軀體疼痛、一般健康狀況、活力、社會(huì)功能、情感職能、精神健康)共計(jì)36個(gè)條目組成，評(píng)分采用累加法，分值越高，代表生活質(zhì)量越高。

1.5.3 影像學(xué)評(píng)估 術(shù)后及隨訪時(shí)行站立位髖關(guān)節(jié)正側(cè)位X線檢查，觀察3D打印鉭金屬骨缺損假體和髖關(guān)節(jié)置換假體之間是否出現(xiàn)透亮線、移位、無(wú)菌性松動(dòng)、骨溶解以及與骨界面骨長(zhǎng)入的情況。

2 結(jié)果

2.1 髖關(guān)節(jié)功能改善情況

患者均獲有效隨訪，隨訪(22.5±3.5)個(gè)月。4例患者術(shù)前Harris評(píng)分為(64.5±12.1)，末次隨訪時(shí)Harris評(píng)分為(86.2±0.3)。與術(shù)前相比，關(guān)節(jié)活動(dòng)功能明顯改善。

2.2 生活質(zhì)量改善情況

末次隨訪時(shí)進(jìn)行VAS評(píng)分和SF-36評(píng)分，4例患者術(shù)前VAS評(píng)分為(7.5±0.7)，末次隨訪時(shí)VAS評(píng)分為(2.5±0.7)。4例患者術(shù)前SF-36評(píng)分為(39.3±6.3)，術(shù)后末次隨訪時(shí)SF-36評(píng)分為(81.6±3.8)，與術(shù)前相比，生活質(zhì)量有明顯改善。

2.3 影像學(xué)評(píng)估

術(shù)后及隨訪時(shí)未發(fā)現(xiàn)手術(shù)部位腫脹、感染及術(shù)后并發(fā)癥。末次隨訪時(shí)行X線正側(cè)位檢查，未發(fā)現(xiàn)3D打印鉭金屬骨缺損假體和髖關(guān)節(jié)置換假體周邊出現(xiàn)透亮線、松動(dòng)、骨溶解等不良情況，末次隨訪X線正位片如圖6。

圖6 3D打印多孔鉭金屬假體重建髖臼骨缺損患者末次隨訪X線正位片

3 討論

3.1 3D打印髖臼骨缺損金屬假體是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

髖臼骨缺損的重建是進(jìn)行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)時(shí)常遇到的難題，常見(jiàn)于全髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)。重建髖臼骨缺損的常用方法有顆粒骨打壓植骨、結(jié)構(gòu)性植骨及金屬墊塊填充等，但上述方法都不能精準(zhǔn)匹配髖臼骨缺損形狀，術(shù)中需使用骨銼刀對(duì)宿主骨進(jìn)行修型，從而增加了手術(shù)時(shí)間、手術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。由于3D打印能夠1∶1成型髖臼骨缺損形狀，很好地解決了骨缺損外形匹配的難題。髖臼骨缺損假體的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)采用仿骨小梁結(jié)構(gòu)的十二面體填充，設(shè)計(jì)其孔徑大小為400～600 μm，孔隙率為75%～85%，最終彈性模量介于皮質(zhì)骨(12～18 GPa)和松質(zhì)骨(0.1～1.5 GPa)之間，在既保證力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)又可以避免應(yīng)力遮擋，同時(shí)增加與宿主骨表面接觸面積，提升了初始穩(wěn)定性。因3D打印髖臼骨缺損假體是在術(shù)前一體化成形，省去了在術(shù)中對(duì)骨缺損形態(tài)進(jìn)行修形和組配金屬墊塊的時(shí)間，從而減少了麻醉時(shí)間、手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量以及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生的可能?；?D打印具有自由成形的特點(diǎn)，理論上可應(yīng)用于任何類(lèi)型的髖臼骨缺損假體成形。21世紀(jì)是個(gè)性化醫(yī)療時(shí)代，3D打印作為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療的重要手段，已成為醫(yī)學(xué)界和工程界共同關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，3D打印制備髖臼骨缺損假體勢(shì)在必行。

3.2 鉭金屬具有優(yōu)異的理化性質(zhì)和生物相容性

如何選擇骨缺損修復(fù)材料是臨床治療首要考慮因素。以往研究發(fā)現(xiàn)骨水泥填充骨缺損的病例，中遠(yuǎn)期隨訪失敗率較高。自體骨移植存在供區(qū)骨量有限，且術(shù)后骨缺損供區(qū)易出現(xiàn)感染、疼痛、血腫和疤痕等并發(fā)癥。異體骨移植存在誘發(fā)宿主免疫反應(yīng)的問(wèn)題，可導(dǎo)致移植骨的過(guò)度吸收或骨不連、骨折和深部感染等，影響治療效果。3D打印技術(shù)制備多孔鈦植入體重建骨缺損，近幾年逐漸被應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域。唐成等采用3D打印個(gè)性化多孔鈦金屬支架重建12例患者的髖臼骨缺損，術(shù)后1年復(fù)查，髖關(guān)節(jié)影像顯示：關(guān)節(jié)假體位置良好、關(guān)節(jié)力線恢復(fù)滿(mǎn)意，髖臼骨缺損區(qū)與金屬支架之間緊密接觸、無(wú)松動(dòng)。但鈦合金植入體長(zhǎng)期處于人體電解質(zhì)中會(huì)釋放出毒性元素釩，可能引起骨軟化和神經(jīng)紊亂等癥狀。因此需要選用生物相容性更佳的金屬材料用于骨缺損修復(fù)。

鉭金屬由于其穩(wěn)定的理化性質(zhì)、優(yōu)良的生物力學(xué)性質(zhì)以及良好生物整合能力被廣泛應(yīng)用于組織缺損的重建。在臨床研究中，CASSAR-GHEITI等在全髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中，使用多孔鉭重建髖臼上外側(cè)缺損，獲得了很好的生存率，并取得良好的中期隨訪效果。同時(shí)鉭植入體具有更低的感染率，SCHILDHAUER等評(píng)估了細(xì)菌對(duì)鉭棒的黏附性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌對(duì)鉭棒的黏附性明顯低于鈦合金。MIETTINEN等回顧性分析多孔鉭髖臼假體在髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)后13.4年的有效率，結(jié)果表明累計(jì)有效率為98.9%。相對(duì)于松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨，多孔鉭的摩擦系數(shù)分別為0.8和0.74，比其他金屬植入材料的摩擦系數(shù)高40%～80%，十分有利于術(shù)后的早期穩(wěn)定。因此，選用鉭金屬作為重建骨缺損材料更佳，既符合臨床需求，又保證髖臼骨缺損假體生存率及臨床療效。

3.3 醫(yī)工交互實(shí)現(xiàn)個(gè)性化髖臼骨缺損假體的設(shè)計(jì)與制備

3D打印髖臼骨缺損假體作為交叉學(xué)科的產(chǎn)物，設(shè)計(jì)與制備髖臼骨缺損假體涉及大量的醫(yī)工交互環(huán)節(jié)，如何保證設(shè)計(jì)與制備的髖臼骨缺損假體滿(mǎn)足臨床的需求是工程師和醫(yī)師面臨的共同難題。

由于工程師與醫(yī)師的知識(shí)背景不同，在進(jìn)行3D打印髖臼骨缺損假體的設(shè)計(jì)與制備時(shí)，需要工程思維和醫(yī)學(xué)思維進(jìn)行不斷的交互，達(dá)到認(rèn)知的統(tǒng)一性。因此需將具有豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師和工程師整合到一個(gè)平臺(tái)，共同搭建“產(chǎn)、學(xué)、研、醫(yī)”一體化的“醫(yī)工交叉、協(xié)同創(chuàng)新”平臺(tái)，推進(jìn)3D打印多孔鉭髖臼骨缺損技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

3.4 電子束選區(qū)融化增材制造裝備制備鉭金屬假體更具優(yōu)勢(shì)

目前能夠?qū)崿F(xiàn)鉭金屬假體3D打印的有激光和電子束增材制造裝備。電子束增材制造裝備的能量密度和成形效率均高于激光，激光成形時(shí)需充入保護(hù)氣體，使得打印時(shí)鉭金屬假體易被保護(hù)氣體污染，且成形后應(yīng)力相對(duì)于電子束成形較高，后期需進(jìn)行熱處理，增加了工序及時(shí)間成本。雖然電子束增材裝備光斑直徑大于激光束，使得其成形精度低于激光，但0.3 mm的成形精度已滿(mǎn)足手術(shù)的要求，見(jiàn)表3。因此，本團(tuán)隊(duì)提出使用電子束增材制造裝備制備多孔鉭植入假體，并成功研發(fā)出粉床電子束增材制造裝備，于2018年4月19日成功實(shí)施首例多孔鉭假體植入合并左側(cè)人工全膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)，為后續(xù)3D打印骨缺損假體的制備及臨床試用奠定了基礎(chǔ)。

表3 激光與電子束增材制造多孔鉭裝備參數(shù)對(duì)比

參數(shù)類(lèi)型激光增材制造裝備電子束增材裝備熱源激光電子束能量密度104 W/mm2109 W/mm2成形精度±0.05 mm±0.3 mm成形效率5～20 cm3/h>50 cm3/h成形氣氛保護(hù)氣體真空成形應(yīng)力高低后處理線切割、熱處理無(wú)

綜上，本研究采用粉床電子束增材制造裝備成功制備了多孔鉭金屬髖臼骨缺損假體，并用于4例全髖關(guān)節(jié)置換Paprosky ⅡB型骨缺損修復(fù)，短期具有良好的臨床療效，顯著減輕患者疼痛，改善髖關(guān)節(jié)功能并提升了生活質(zhì)量。

利益沖突聲明

所有作者聲明在項(xiàng)目實(shí)施和文章撰寫(xiě)過(guò)程中，不存在利益沖突