劉昌靚，田 齊

（1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨腫瘤外科，新疆 烏魯木齊 830000）

3D 打印技術(shù)（3D printed technology，3DPT）是一種將材料逐層堆疊的技術(shù)，可以模擬任何復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)形狀[1]。3D 打印假體（3D printed prosthesis，3DPP）特有類似松質(zhì)骨的3D 打印假體多孔結(jié)構(gòu)（porous structure，PS）可以有效促進(jìn)骨組織長(zhǎng)入假體。3DPT 還可以調(diào)整PS 的彈性模量，使其與骨組織相近，避免應(yīng)力屏障，降低假體不穩(wěn)的可能。與傳統(tǒng)的金屬假體相比，PS 可在短期內(nèi)改善假體的固定。目前，3D 打印分為傳統(tǒng)構(gòu)造和增材制造。傳統(tǒng)方法包括溶劑澆鑄、顆粒浸出、冷凍干燥和冷凍凝膠法[2]。增材制造成型技術(shù)包括熔融沉積建模（FDM）和直接3D 生物制造。3D 打印的優(yōu)勢(shì)不僅可以根據(jù)患者特點(diǎn)定制假體，并可以種植細(xì)胞和生長(zhǎng)因子[3]。通過賦予其特殊功能，如PS 的設(shè)計(jì)、假體表面改性、藥物裝載等，現(xiàn)在已經(jīng)研究出具有提高長(zhǎng)期穩(wěn)定性、減少感染發(fā)生率、以及減少腫瘤復(fù)發(fā)率等功能的假體植入物。本文現(xiàn)對(duì)3D 打印假體骨融合優(yōu)勢(shì)、功能化假體及3D 打印假體在骨腫瘤術(shù)后的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 骨融合優(yōu)勢(shì)及評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的金屬假體主要依靠摩擦力建立短期的穩(wěn)定性，在遠(yuǎn)期隨訪中，常出現(xiàn)感染以及無菌性松動(dòng)，在骨整合之前負(fù)荷過重或使用短期穩(wěn)定性差的假體會(huì)導(dǎo)致界面微動(dòng)和超生理應(yīng)變超過30%[4]，摩擦產(chǎn)生磨屑導(dǎo)致骨整合不足等引起的短期不穩(wěn)定是骨結(jié)合不良最常見的原因[5]；而且傳統(tǒng)假體結(jié)構(gòu)對(duì)孔隙率、孔徑、形狀控制較差也會(huì)導(dǎo)致成骨不佳[6]。3DPP具有類似骨小梁的PS 高效促進(jìn)骨生物結(jié)合，比傳統(tǒng)假體可增加3 倍[7]。有利于細(xì)胞黏附、增殖及分化，宿主骨長(zhǎng)入其中并相互連接，增加與假體的接觸面積，與假體構(gòu)成三維綁定，形成無縫連接，達(dá)到理想的骨整合狀態(tài)，同時(shí)PS 的摩擦力較大，短期穩(wěn)定性也較好，孔隙之間的相連程度應(yīng)該盡量接近100%，有利于不同孔之間的細(xì)胞物質(zhì)交換及代謝廢物排除[8]，加快宿主骨與再生組織（主要是新生血管和周圍的新生骨）的連接重建。多孔結(jié)構(gòu)的連通性、孔徑和孔隙率應(yīng)適合細(xì)胞附著、增殖和分化[9，10]。而孔徑約600 μm 時(shí)最有利于骨向內(nèi)生長(zhǎng)和假體的穩(wěn)定性[11]。其次，骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性和骨整合能力是影響新生骨生長(zhǎng)的重要因素。骨傳導(dǎo)通過毛細(xì)血管引導(dǎo)骨生長(zhǎng)。骨誘導(dǎo)通過刺激干細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞誘導(dǎo)成骨[5]，3DPP 還可通過藥物和生長(zhǎng)因子使假體功能化或者進(jìn)行表面涂層修飾，促進(jìn)假體周圍的血管生成、細(xì)胞黏附及增殖、抗感染等。

3DPP 材料的良好生物相容性、機(jī)械特性包括強(qiáng)度和剛度/彈性模量也是骨融合的重要因素[6]。3D 打印的材料包括金屬材料、陶瓷材料和聚合物材料[12]。普通金屬材料由于彈性模量遠(yuǎn)高于人骨，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力遮擋現(xiàn)象，影響骨重建。而相關(guān)研究使用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)制作的鈦合金假體，發(fā)現(xiàn)其與皮質(zhì)骨或松質(zhì)骨有類似低彈性模量[13]，陶瓷和鎂鈣磷酸鹽等可生物降解金屬的復(fù)合材料在體內(nèi)可以提供優(yōu)異的生物相容性、生物降解性和更快、更高效的成骨[14]。因此使用復(fù)合材料的3DPP 能很好的誘導(dǎo)骨快速生長(zhǎng)。

3DPP-PS 與宿主骨融合程度的驗(yàn)證方法大多還處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，體外測(cè)量方法包括Micro-CT、雙能X 線測(cè)量骨密度等方法。Bandyopadhyay A 等[15]將3DPP 植入雄性大鼠股骨，通過顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）觀察到在骨組織和假體界面之間觀察到良好的粘接，高分辨CT 圖像清楚地顯示了多孔網(wǎng)絡(luò)中的骨融合。Palmquist A 等[16]使用多孔結(jié)構(gòu)鈦合金假體重建羊股骨缺損后，利用Micro-CT 觀察到多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的骨生長(zhǎng)，與組織學(xué)檢查結(jié)果之間有很好的相關(guān)性，但是在臨床上還沒有標(biāo)準(zhǔn)的判斷方法，可以根據(jù)Harris 和Engh 對(duì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即根據(jù)術(shù)后X 線片所示假體有無移位（下沉、脫位等）及斷裂，有無硬化線或透亮線以及是否≥2 mm。

2 功能化假體

2.1 生物功能化假體 生物打印是一種將干細(xì)胞或生長(zhǎng)因子與3DPP 結(jié)合的方式，將細(xì)胞或者生物因子加載在假體特定部位，構(gòu)建出具有生物功能化的假體，生長(zhǎng)因子可刺激某些類型細(xì)胞的黏附、增殖和分化，良好的血運(yùn)有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)，成骨效率更高。而假體外緣的細(xì)胞消耗過多氧氣及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致假體中央的細(xì)胞成骨不良[17]。Wang C等[18]將血管生成肽（AP）包覆在支架表面不僅促進(jìn)了血管生成，還促進(jìn)了其成骨分化。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）是種誘骨活因子，能夠有效刺激間充質(zhì)細(xì)胞分化成軟骨細(xì)胞、骨細(xì)胞，BMP-2 衍生的寡肽（SSVPT）是促進(jìn)成骨最常用的生長(zhǎng)因子，不僅促進(jìn)細(xì)胞的黏附和增殖，還激活轉(zhuǎn)錄因子RUNX2 和Osterix（OSX）。3DPP 上加載BMP及辛伐他汀能顯著促進(jìn)骨向內(nèi)生長(zhǎng)[19，20]。

2.2 抗感染功能化假體 假體感染是使假體失效的重要的原因，炎癥及感染破壞骨的連續(xù)性和完整性[21]。同時(shí)假體體積大，手術(shù)暴露范圍大、時(shí)間長(zhǎng)，切除后缺乏軟組織覆蓋及放化療引起的免疫抑制都是感染的因素[22]。而導(dǎo)致感染的原因常為假體周圍缺乏軟組織和周圍血供差以及異物表面容易產(chǎn)生細(xì)菌粘附和形成生物膜。因?yàn)樯锬ね獯嬖诙嗵腔|(zhì)、血管化較差或?qū)股氐臐B透性差[23]，抗生素和免疫系統(tǒng)都很難有效清除生物膜[22，24]。賦予假體抗感染能力防止生物膜形成可以控制局部感染以及感染擴(kuò)散[25]?？垢腥净饕绣冦y、生化表面修飾和加載抗生素3 種方法。Schmolders J 等[26]發(fā)現(xiàn)鍍銀假體與非鍍銀關(guān)節(jié)假體治療相比感染率較低。生物化學(xué)表面修飾是誘導(dǎo)高效抗菌的方法[21]。有研究表明[24]，植入殼聚糖季銨鹽（Hydroxypropyltrimethyl Ammonium Chloride Chitosan，HACC）能有效抗感染，對(duì)感染骨缺損有良好修復(fù)。但裝載抗生素的假體存在病原菌多樣性和抗生素耐藥的限制[25]，需進(jìn)一步研究。

2.3 抗腫瘤功能化假體 3DPP 表面或內(nèi)部都可以植入抗腫瘤藥物，通過抑制腫瘤生長(zhǎng)及復(fù)發(fā)可避免二次翻修等一系列問題。局部植入抗腫瘤藥比全身給藥更有利于抑制腫瘤誘導(dǎo)的骨溶解，同時(shí)全身化療對(duì)骨髓的抑制會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的感染，而且局部給藥在腫瘤部位的血藥濃度比全身給藥高。有相關(guān)研究表明，3DPP-PS 可以將阿霉素高效輸送至腫瘤組織，通過孔隙率控制藥物釋放，有較好的結(jié)果。此外可以設(shè)計(jì)復(fù)合支架，內(nèi)部少釋放，外部釋放更多的藥物來延長(zhǎng)釋放時(shí)間[27]。還有研究表明裝載5 價(jià)鐵或錳的陶瓷玻璃（5Mn-BGC，bioactive glass-ceramic，5Fe-BGC）支架在抗腫瘤同時(shí)可明顯促進(jìn)骨再生[28]；但是，目前加載抗腫瘤藥物相關(guān)的報(bào)道很少，可能因?yàn)榭鼓[瘤藥物會(huì)影響新生骨和新生血管形成以及宿主骨與假體之間的整合，對(duì)遠(yuǎn)期穩(wěn)定產(chǎn)生消極影響，因此需要制造出同時(shí)具備既抗腫瘤又促進(jìn)假體長(zhǎng)期穩(wěn)定性的3DPP。

3 骨腫瘤術(shù)后長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

對(duì)于惡性骨腫瘤，使用傳統(tǒng)假體重建在術(shù)中需要反復(fù)塑性才能的匹配宿主骨復(fù)雜的解剖外形，手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)、難度大均增加假體感染風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)傳統(tǒng)假體與骨的彈性模量不匹配還造成骨硬化，并對(duì)骨造成磨損導(dǎo)致假體疼痛、不穩(wěn)定、假體松動(dòng)甚至翻修[29]。大型假體失效分類[20]：軟組織衰竭（1型），無菌性松動(dòng)（2型），結(jié)構(gòu)性骨折（3型），感染（4型）和局部腫瘤復(fù)發(fā)（5型）。無菌性松動(dòng)在當(dāng)前假體置換中是假體失效最常見的原因[30，31]。Healey JH 等[32]報(bào)道由于無菌性松動(dòng)導(dǎo)致的骨界面融合失敗達(dá)9.7%。術(shù)前根據(jù)影像學(xué)量身定制的3DPP 能夠“精確貼合截骨面”，從而解決解剖和病理的限制[33]。3DPP 的精確匹配以及多孔結(jié)構(gòu)明顯增加假體-骨接觸面積，不僅初始穩(wěn)定性好，更有利于骨長(zhǎng)入[29]，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性。因此，3D 打印在骨科最適合的還是骨腫瘤切除后大段骨缺損的重建。目前已開展的手術(shù)包括四肢關(guān)節(jié)周圍骨腫瘤切除重建、骨盆腫瘤切除后半骨盆假體重建等。

3.1 四肢骨腫瘤 四肢長(zhǎng)骨的干骺端是骨惡性腫瘤發(fā)病率最高部位，傳統(tǒng)重建方法在術(shù)后有再次骨折、骨不連、延遲愈合、假體無菌性松動(dòng)或感染等并發(fā)癥，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性。3DPP 可以彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)。Beltrami G[34]和Feng D 等[35]的研究均發(fā)現(xiàn)，3DPP 重建后隨訪X 線片顯示假體放置良好，未見松動(dòng)。假體與宿主骨之間有良好長(zhǎng)期生物整合。Fang X 等[29]對(duì)1例距骨肉瘤行瘤段切除及3DPP 置換，隨訪發(fā)現(xiàn)假體與相鄰關(guān)節(jié)精確適配可實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的長(zhǎng)期功能和穩(wěn)定性。

3.2 骨盆腫瘤 骨盆腫瘤整塊切除對(duì)延長(zhǎng)患者生命、降低復(fù)發(fā)率具有重要意義。由于骨盆解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且為人體主要負(fù)重部位，腫瘤切除后有較大的骨缺損，傳統(tǒng)模塊化假體術(shù)中假體失配和術(shù)后松動(dòng)的發(fā)生率較高[36]，而骨盆3DPP 在術(shù)后隨訪中已被證實(shí)可恢復(fù)良好的功能[37，38]。因?yàn)槠鋵?duì)骨盆及髖臼周圍骨缺損精準(zhǔn)重建，確保從骨骼到下肢軸向生物力學(xué)的穩(wěn)定[39]。同時(shí)術(shù)中簡(jiǎn)化手術(shù)步驟也減少了并發(fā)癥的發(fā)生，并加快功能恢復(fù)[40]。Liang H 等[41]使用3DPP 重建骨盆，假體與骨盆精確匹配，具有短期穩(wěn)定良好的功能，無假體松動(dòng)及周圍感染。Ji T 等[42]在3DPP 骨盆重建后發(fā)現(xiàn)骨小梁向假體方向延伸，并在多孔內(nèi)長(zhǎng)出骨。Wang J 等[43]發(fā)現(xiàn)3DPP 與截骨面高度匹配，多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的骨長(zhǎng)入及和初始穩(wěn)定性。3DPP 在骨盆腫瘤切除重建中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 其他部位骨腫瘤 重建不規(guī)則骨骼（如鎖骨）在骨腫瘤外科難度較高，不合適的假體在術(shù)后常存在假體松動(dòng)，甚至假體周圍骨折進(jìn)一步導(dǎo)致骨量丟失以及殘疾，Zhou HZ 等[44]在胸骨肉瘤重建后發(fā)現(xiàn)假體能夠完全重建解剖結(jié)構(gòu)，固定牢固且穩(wěn)定，功能活動(dòng)良好。Zou Y 等[45]在1 例肩關(guān)節(jié)軟骨肉瘤術(shù)后假體松動(dòng)患者行3DPP 翻修術(shù)，術(shù)后X 線片顯示骨折愈合滿意，假體位置無改變，3DPP 能根據(jù)患者獨(dú)特的解剖特點(diǎn)預(yù)留軟組織附著孔，完美恢復(fù)術(shù)后解剖結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的全肩關(guān)節(jié)置換術(shù)（TSA）由于解剖復(fù)雜，在TSA翻修或肱骨腫瘤切除術(shù)中很難準(zhǔn)確配比骨缺損。而3DPP 很好的解決了此類問題。Fan H 等[46]在使用3DPP 重建鎖骨尤因肉瘤后的長(zhǎng)期隨訪中未見肢體長(zhǎng)度不均、螺釘松動(dòng)、假體斷裂和關(guān)節(jié)塌陷等，在重建復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)骨缺損處具有更好的長(zhǎng)期效果。

4 總結(jié)與展望

3D 打印假體以及功能化假體主要優(yōu)勢(shì)有促進(jìn)假體長(zhǎng)期穩(wěn)定性、抗感染以及抗腫瘤，最重要的是促進(jìn)假體的遠(yuǎn)期穩(wěn)定性?？垢腥炯翱鼓[瘤等最終也是為了實(shí)現(xiàn)假體的長(zhǎng)期穩(wěn)定以及實(shí)現(xiàn)良好的功能，但是任何附加的功能都不能影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而長(zhǎng)期穩(wěn)定的前提又是宿主骨良好的長(zhǎng)入假體并有良好的骨融合，多孔結(jié)構(gòu)有助于假體和宿主骨之間的相互連接。3D 打印假體目前的不足在于制作周期長(zhǎng)，在此期間腫瘤可能繼續(xù)生長(zhǎng)，3DPP 術(shù)中可能存在與術(shù)前規(guī)劃不適配。同時(shí)兒童患者的增長(zhǎng)潛力會(huì)使術(shù)后下肢長(zhǎng)度不等的情況增加，將3D 打印與可擴(kuò)張假體相結(jié)合，使3DPP 能夠與患者的生理性長(zhǎng)高相匹配，或許可以解決此類問題。3D 打印假體也可以和藥物及生物因子的結(jié)合形成功能化3DPP，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)骨腫瘤外科的2 個(gè)主要治療目標(biāo)，即完整手術(shù)切除和具有良好功能恢復(fù)。雖然3DPP 不一定是所有骨缺損重建的最佳解決方案，但它在重建復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)以及青少年保留骨骺的手術(shù)中具有一定優(yōu)勢(shì)。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各部位惡性骨腫瘤的切除重建，但是相關(guān)功能化假體應(yīng)用研究報(bào)道較少，因此，需要更多的臨床研究來進(jìn)一步驗(yàn)證功能化3DPP在骨腫瘤外科的應(yīng)用。