陳國景 李明輝 肖鑫 魯亞杰 王鳳偉 王臻 姬傳磊 李靖

肢體關節(jié)周圍骨肉瘤切除后，保留自體關節(jié)可以使患者保留正常的關節(jié)結構，從而使患者獲得具有更好地本體感覺的關節(jié)功能并可持久使用[1]。臨床上對于腫瘤未侵犯骨骺的患者有保留自體關節(jié)的適應證，但保留自體關節(jié)面的保肢重建是目前臨床面臨的難點，尤其是 <1 cm 超薄厚度的關節(jié)面保留更具有難度。

以往保留關節(jié)的腫瘤切除后骨缺損重建以異體骨、腫瘤滅活骨及機械加工假體為主，但以上方法均存在一定缺陷[2-3]。異體骨來源有限，且存在異體骨不愈合并發(fā)癥[4]。腫瘤滅活骨存在腫瘤復發(fā)的風險[5]。機械加工假體生物性能較差，常伴有感染、假體松動等并發(fā)癥[6]。3D 打印個體化設計假體已在臨床上得到廣泛應用，與傳統(tǒng)機加工相比，3D 打印可以做到個體化設計，與骨缺損達成更好地匹配[7]。但保留的超薄厚度關節(jié)面與 3D 打印假體界面無法實施牢固的固定，所以假體與骨界面的整合能否為保留關節(jié)提供足夠的穩(wěn)定性有待臨床進一步觀察評估。

本研究通過對 8 例 3D 打印假體修復重建保留自體關節(jié)病例的臨床資料做回顧性分析，目的在于探討：(1) 保留自體關節(jié)的有效手術方案；(2) 評估 3D 打印假體修復重建保留自體關節(jié)的臨床療效；(3) 隨訪評估超薄厚度關節(jié)面保留的功能優(yōu)勢。

資料與方法

一、納入標準與排除標準

1.納入標準：(1) 病理學診斷為骨肉瘤者；(2)具備保肢條件，無手術禁忌者；(3) 干骺端腫瘤未突破骺板者；(4) 自愿接受 3D 打印假體植入并簽署知情同意書者。

2.排除標準：遠處轉移或腫瘤不可切除者；(2)心肺功能不全或其它系統(tǒng)重大疾病者；(3) 干骺端腫瘤突破骺板無保留自體關節(jié)面適應證者；(4) 患精神或神經系統(tǒng)疾病，無法配合治療者。

本研究經西京醫(yī)院倫理學委員會批準，于術前簽署知情同意書。

本研究共納入 8 例，男 2 例，女 6 例，年齡6～30 歲，平均 11.8 歲。病理學結果均為骨肉瘤，外科分期均為 Enneking ⅡB 期。腫瘤部位脛骨近端4 例，股骨遠端 2 例，脛骨遠端 2 例。其中 1 例脛骨遠端患者，外院按良性腫瘤給予行刮除植骨內固定術，術后病理診斷為骨肉瘤。所有患者術前均行新輔助化療，均無遠隔轉移 (表 1)。

二、3D 打印假體的設計制備

術前對患肢行 0.625 mm 的薄層 CT 掃描，獲得DICOM 格式圖像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導入 minics17.0 軟件(Materialise 公司，比利時) 中進行三維重建，距腫瘤安全邊界：近關節(jié)端至少 >1 cm、遠離關節(jié)端至少 >2 cm 設計截骨平面，并結合患者個體的骨性解剖特征，設計手術截骨導板以便于術中進行精確截骨。假體打印材料為鈦合金 (Ti6Al4V)，采用多孔結構，孔隙率 55%～65%，孔經為 600～800 μm。保留關節(jié)厚度若 >1 cm，假體兩端可設計一體化的接骨板以固定。保留的關節(jié)厚度若 <1 cm，假體和關節(jié)接觸面固定設計 2 枚埋頭螺釘固定，釘頭朝向關節(jié)非負重區(qū)域，假體周邊設計小孔用于和保留關節(jié)周圍軟組織縫合固定 (圖 1a、b)，假體與骨接觸面均為多孔設計以利于骨長入。同時假體的設計融入拓撲結構優(yōu)化的理念，對假體力學需求較高的部分進行拓撲力學增強 (圖 1b、c)，其它部分則設計為多孔網格狀結構以促進假體與周圍組織的整合 (圖 1d)。對于體重大、骨缺損長度 >20 cm 者，假體主體部分采用機加工制作，僅骨接觸面采用 3D 打印多孔設計。脛骨遠端假體接觸端按照保留關節(jié)面的解剖特點設計數(shù)個小錐狀結構，用以插入保留的骨質內形成即刻的穩(wěn)定。假體加工制作使用激光熔融技術(selective laser melting technology，SLM) 在西安鉑力特激光成形技術有限公司完成。在臨床應用之前，需對假體進行熱處理，除粉，清洗及消毒滅菌。

表1 8 例采用 3D 打印假體修復重建保留自體關節(jié)面的骨肉瘤患者的臨床資料及隨訪Tab.1 Clinical data and follow-up results of 8 patients with osteosarcoma who were repaired with 3D printed prosthesis with preserved autogenous articular surface

圖1 3D 打印假體的設計 a：minics 軟件系統(tǒng)內設計假體過程；b：對假體力學需求較高的部分進行拓撲力學增強 (紅色區(qū)域)，假體關節(jié)端周邊設計和關節(jié)周圍軟組織的縫合的小孔；c：設計假體和自體關節(jié)面固定的埋頭螺釘孔 (黑色箭頭標記)；d：設計完成的模型Fig.1 Design of 3D-printed prosthesis a: The process of design by minics software system;b:Topologically enhanced parts of the prosthesis with high mechanical demands (red area).Peripheral design of the prosthetic joint end and suture holes in the soft tissue around the joint;c: Design the countersunk screw holes for prosthesis and autogenous articular surface fixation (marked by black arrows);d: The finished model

三、手術方法

手術在全身麻醉下完成，主要分為腫瘤切除和假體安裝兩個關鍵步驟。

按照腫瘤切除原則充分顯露腫瘤后，利用術前設計的 3D 打印截骨導板進行定位并截骨，完整切除腫瘤。

假體安裝于骨缺損部位，對于脛骨近端關節(jié)面保留 <1 cm 者，假體與關節(jié)面通過 2 枚螺釘固定。脛骨遠端關節(jié)面保留 <1 cm 者，假體與關節(jié)面通過假體的錐狀結構或特殊設計的螺釘方向固定維持接觸面穩(wěn)定。關節(jié)面保留 >1 cm 者利用假體兩端一體化設計的接骨板進行固定。如有需要可適當增加接骨板進行增強固定。1 例脛骨遠端體部為機加工的假體近端和脛骨采用髓內骨水泥固定。關節(jié)囊周圍的軟組織和假體設計的孔縫合在一起，以利于軟組織和假體粘連，增強關節(jié)的穩(wěn)定性。

四、術后處理

術后應用抗生素 1 周，給予石膏或支具固定6 周，術后 2 個月逐漸康復鍛煉關節(jié)功能，并根據(jù)關節(jié)穩(wěn)定性逐漸負重訓練，關節(jié)穩(wěn)定性不佳者暫借助支具保護訓練。

五、隨訪及療效評價

術后 3 年內每 3 個月隨訪 1 次，3 年后每半年隨訪 1 次。隨訪時通過觀察和測量 X 線片上假體與宿主骨間隙骨組織長入的情況以及假體周圍新生骨痂遷移的情況來定性和定量評估假體骨整合程度。利用國際骨骼肌肉腫瘤保肢 (MSTS) 功能評分系統(tǒng)對肢體的功能狀態(tài)進行評估[8]。包括疼痛、整體功能、情感上的接受程度、支持能力、行走能力、步態(tài) 6 個方面，結果以百分比表示。同時行胸部 CT 檢查，觀察腫瘤有無轉移等情況。

結果

一、手術情況

所有患者均按術前計劃完成手術，手術時間：80～140 min，平均 110 min，失血量：100～300 ml，平均 220 ml，腫瘤切除后骨缺損長度：7.2～22.0 cm，平均 16.5 cm，保留關節(jié)面厚度：0.75～2.50 cm，平均 1.37 cm，手術順利，未出現(xiàn)嚴重圍術期并發(fā)癥。

二、腫瘤學結果及重建效果

術后隨訪 36～60 個月，平均 43.5 個月。所有患者均按骨肉瘤標準治療方案完成新輔助及輔助化療。至末次隨訪，7 例存活且無腫瘤局部復發(fā)及遠隔轉移；1 例隨訪 36 個月出現(xiàn)肺轉移。末次隨訪影像學檢查顯示 7 例的假體均未出現(xiàn)松動及斷裂，尤其重要的是假體與保留關節(jié)接觸面形成緊密的界面骨整合。隨著隨訪時間的延長，術后假體與骨界面存在的間隙逐漸有新骨組織長入，并向假體邊緣延伸包裹假體，形成“焊接式”整合。1 例 9 歲患兒，體重 65 kg，在隨訪 49 個月時發(fā)生假體應力集中部位斷裂 (圖 2～4)。

典型病例

例 1 男性，9 歲，因右小腿疼痛 5 個月就診當?shù)蒯t(yī)院，影像學檢查提示右脛骨上段骨質破壞，行活檢后病理確診為骨肉瘤，予術前新輔助化療4 次，影像學評估化療效果顯示腫瘤較化療前縮小，邊界變清晰，更重要的信息是腫瘤未突破脛骨近端的骨骺板，可施行保留脛骨平臺自體關節(jié)面手術，制訂手術計劃為：瘤段切除、保留自體關節(jié)、3D 打印假體重建修復骨缺損。掃描 CT 采集數(shù)據(jù)行3D 打印假體設計，假體定制完成后施行手術。術中瘤段近端在骺板上安全界限截骨，保留脛骨平臺關節(jié)面 0.8 cm 的厚度，完整切除瘤段后安裝定制的3D 打印假體，按假體設計的固定通道將假體與自體骨固定，將關節(jié)囊周圍軟組織和假體近端縫合。術后膝關節(jié)伸直位支具固定 6 周，開始被動非負重狀態(tài)下鍛煉膝關節(jié)屈伸功能，術后 2 個月開始扶拐部分負重鍛煉，初始負重鍛煉時膝關節(jié)乏力，行走不穩(wěn)，通過鍛煉恢復肌力后關節(jié)功能逐漸改善，術后12 個月 MSTS 評分 94.79%。隨訪 49 個月時發(fā)生假體應力集中部位斷裂 (圖 2)。

例 2 女性，30 歲，因右小腿下段疼痛 1 個月就診當?shù)蒯t(yī)院，X 線檢查提示右脛骨下段骨質密度不均勻增高，病灶邊緣模糊，當?shù)蒯t(yī)院以良性腫瘤給予行病灶刮除植骨內固定術，術后病理證實為骨肉瘤，按骨肉瘤治療方案予新輔助化療 4 次，影像學評估顯示腫瘤范圍未進一步擴大，局限在骨內原手術區(qū)域內，原內固定鋼板以遠未受到腫瘤侵犯，擬施行瘤段切除、保留脛骨遠端關節(jié)面、假體重建修復骨缺損。假體主體部分機加工制作以增加強度，遠端設計為多錐狀 3D 打印多孔結構，近端髓內固定。瘤段完整切除后保留脛骨遠端關節(jié)面 1.0 cm，按設計要求安裝假體，術后踝關節(jié)功能位支具固定6 周，開始被動非負重狀態(tài)下鍛煉踝關節(jié)功能，術后 2 個月開始扶拐部分負重鍛煉，關節(jié)功能逐漸改善，術后 6 個月 MSTS 評分 92.75%。隨訪 37 個月假體遠端 3D 打印界面與自體骨界面形成緊密骨整合，假體狀態(tài)完好，未見腫瘤復發(fā)轉移 (圖 3)。

例 3 女性，9 歲，因左小腿遠端疼痛 3 個月就診我院，影像學檢查提示左脛骨下段骨質破壞，行活檢后病理確診為骨肉瘤，予術前新輔助化療4 次，影像學評估化療效果顯示腫瘤邊界較化療前變清晰，腫瘤侵犯范圍未突破脛骨遠端的骨骺板，可施行保留脛骨遠端自體關節(jié)面手術，制訂手術計劃為：瘤段切除、保留自體關節(jié)、3D 打印假體重建修復骨缺損。掃描 CT 采集數(shù)據(jù)行 3D 打印假體設計，假體定制完成后施行手術。術中瘤段遠端在骺板上安全界限截骨，保留脛骨遠端關節(jié)面 1.0 cm 的厚度，完整切除瘤段后安裝定制的 3D 打印假體，按假體設計的固定通道將假體與自體骨固定。術后踝關節(jié)功能位支具固定 6 周，開始被動非負重狀態(tài)下鍛煉踝關節(jié)功能，術后 2 個月開始扶拐部分負重鍛煉，關節(jié)功能逐漸改善，術后 6 個月 MSTS 評分92.45%。隨訪 36 個月假體遠端 3D 打印界面與自體骨界面形成緊密骨整合，假體狀態(tài)完好，未見腫瘤復發(fā)，但胸部 CT 提示肺部遠隔轉移 (圖 4)。

三、臨床功能評價

圖2 a：術前 X 線示脛骨中上段骨質破壞，腫瘤未突破骺板；b、c：腫瘤切除后 3D 打印術后 3 個月正側位 X 線片，保留關節(jié)面厚度0.80 cm (白色箭頭所示)；d：術后 49 個月，保留的關節(jié)面生長發(fā)育，較術后 3 個月所示關節(jié)面增厚增大，但假體遠端應力集中部位發(fā)生斷裂 (黑色箭頭所示)；e：側位顯示保留關節(jié)面向假體邊緣延伸生長并包裹假體；f：術后功能隨訪，可完成騎行運動Fig.2 a: Preoperative X-ray showed bone destruction in the middle and upper part of the tibia,and the tumor did not break through the epiphyseal plate;b -c: Anteroposterior and lateral X-ray films 3 months after tumor resection and reconstruction with 3D printed prosthesis,0.80 cm thickness of the preserved articular surface (indicated by the white arrow);d: At 49 months after operation,the retained articular surface grew and developed,and the thickness of the articular surface was larger than that shown at 3 months after operation;but the stress concentration part of the distal end of the prosthesis was broken (shown by the black arrow);e: Lateral view showed that the retained joint grew toward the edge of the prosthesis and wrapped around the prosthesis;f: Postoperative functional follow-up showed complete cycling exercise

圖3 a：術前 X 線顯示右脛骨遠端骨質破壞；b：初次手術給予刮除植骨內固定術，術后病理證實提示為骨肉瘤；c：以遠端保留關節(jié)面的解剖特征設計 3D 打印假體；d：術中腫瘤切除，假體體部為機加工，關節(jié)端為錐狀的多孔 3D 打印結構；e：術中假體安裝完成；f、g：術后 37 個月，假體遠端的 3D 打印結構與自體關節(jié)面形成緊密的結合；h：病理 (HE × 10)；i：術后功能隨訪，負重爬樓梯無障礙圖4 a：術前 X 線顯示左脛骨遠端骨質破壞伴周圍骨膜反應；b：術中瘤段切除，保留遠端自體關節(jié)面；c：術中 3D 打印假體安裝完成；d：術后隨訪 36 個月，假體遠近端骨接觸面與自體骨均形成緊密骨結合Fig.3 a: Preoperative X-ray showed bone destruction of distal right tibia;b: Curettage and internal fixation with bone grafting for benign tumors in other hospitals.The post-pathology suggested osteosarcoma;c: The 3D printed prosthesis was designed with the anatomical features of the distal articular surface preserved;d: The tumor was resected during the operation,the prosthesis body was machined,and the joint end was a porous 3D printed structure;e: The prosthesis installation was completed during the operation;f -g: 37 months after the operation,the 3D printed structure of the distal end of the prosthesis formed a tight integration with the autogenous articular surface;h: Microscopic pathology,HE staining,× 10;i: Postoperative functional follow-up showed weight-bearing stair climbing without obstaclesFig.4 a: Preoperative X-ray showed bone destruction in the left distal tibia with periosteal reaction;b: Resection of the tumor segment during the operation,and the distal autogenous articular surface was preserved;c: The installation of the 3D printed prosthesis in middle was completed;d: After 36 months of follow-up,the bone contact surface of the distal and proximal ends of the prosthesis and the autogenous bone had formed tight osseointegration

術后 2 個月扶拐部分負重，保留關節(jié)面厚度 <1 cm 者，初始負重時出現(xiàn)關節(jié)不穩(wěn)，無法支撐行走，需支具保護，通過鍛煉患肢肌力及關節(jié)功能，隨著術后時間的延長，關節(jié)穩(wěn)定性逐漸增強。至末次隨訪時間，除 1 例成年患者手術肢體未出現(xiàn)短縮外，其余 7 例均出現(xiàn)不同程度肢體短縮 0～3 cm，平均1.56 cm。患者手術肢體 MSTS 功能評分為 91.81%～96.87%，平均 93.81%，所有患者評分均 >90.00%，能正常活動。在 MSTS 評分因素中，步態(tài)是扣分的主要因素，所有患者均有不同程度的跛行 (表 1)。

討論

Takeuchi 等[9]報道肢體惡性腫瘤切除后保留自體關節(jié)能夠給患者帶來諸多獲益，例如兒童患者保留的關節(jié)仍具備一定的生長能力，且關節(jié)功能優(yōu)于人工關節(jié)等，但需要確保腫瘤切除邊界安全。但保留自體關節(jié)的手術適應證及有效的手術方案選擇仍然是目前臨床的難點，尤其是保留超薄厚度 (<1 cm)關節(jié)面厚度的重建方法及長期隨訪功能鮮有報道。

一、肢體惡性腫瘤切除保留自體關節(jié)手術方案選擇

在 3D 打印假體應用于臨床之前，惡性腫瘤保肢大多采用傳統(tǒng)假體或模塊化的組配假體，這些假體設計之初是以成年患者的骨骼設計的，所以用在兒童保肢存在諸多臨床固有問題，具體表現(xiàn)有假體尺寸不匹配，形成應力遮擋、假體周圍骨折及無菌性松動等并發(fā)癥[10-11]，甚至對年齡更小的兒童無法使用。若采取異體骨重建，由于異體骨捐獻者來自成人，也存在不匹配問題，需要修整以匹配兒童骨骼，這使得骨質強度減弱，容易導致骨折，而且異體骨來源受限，存在排異反應、骨不愈合等并發(fā)癥。3D 打印假體的開發(fā)應用開辟了惡性骨腫瘤切除后保肢手術的創(chuàng)新領域[12-13]，其主要優(yōu)勢為：(1)基于患者影像學數(shù)據(jù)進行術前個性化設計，在解剖學上達到精準匹配；(2) 假體的表面設計多孔結構，有利于組織長入，尤其是界面骨整合更具有優(yōu)勢；(3) 可以實現(xiàn)復雜解剖學結構的重建[14]。這些優(yōu)勢有效地解決了兒童保肢修復重建的難題，克服了上述傳統(tǒng)保肢手術方法的缺陷，尤其在保留自體關節(jié)面的重建方面更具有優(yōu)勢，在 <1 cm 的超薄厚度關節(jié)面保留方面，由于 3D 打印假體優(yōu)越的界面骨整合能力，使得假體和保留關節(jié)面在短期內即形成牢固的結合，提供初始穩(wěn)定性，代表了 3D 打印假體界面的生物學優(yōu)勢。本組有 5 例保留關節(jié)面 ≤1 cm，由于關節(jié)面無足夠厚度，無法和假體完成一體式牢固固定。本研究利用剩余關節(jié)面的解剖學特征，個體化設計出假體界面的特殊結構，以有效和保留關節(jié)面完成臨時固定，后期通過骨整合形成牢固結合，這也體現(xiàn)了 3D 打印個體化定制的優(yōu)勢。

二、3D 打印假體修復重建保留自體關節(jié)的臨床效果

保留自體關節(jié)面的修復重建早期使用大段異體骨重建的方式較多，但前提是需要保留關節(jié)面有足夠厚度，以便于采用內固定將保留關節(jié)面和異體骨段牢固固定，即使如此，由于異體骨和自體骨不愈合，導致遠期內固定斷裂的發(fā)生率較高。近年來本研究中心采用腓骨瓣復合異體骨的方式修復重建保留自體關節(jié)面，取得了良好的臨床效果[15-16]，但對于兒童的超薄關節(jié)面保留，此種方式仍然受到限制。首先，關節(jié)面保留 <1 cm，無法和異體骨行有效固定，腓骨瓣也沒有空間插入保留的關節(jié)面內，使得腓骨瓣無法和保留關節(jié)面快速建立血運，而固定不穩(wěn)定會導致異體骨和自體骨難以形成有效愈合；其次，兒童腓骨較細，利用腓骨進行重建其骨量有限，而且血管顯微吻合難度大，術后腓骨血供難以保障，另一方面，腓骨缺如對兒童下肢骨骼發(fā)育具有不良的影響，易導致下肢部分功能受限。3D打印金屬假體具有良好的解剖學匹配度，可精確重建并恢復肢體功能，早中期隨訪患者滿意度較高，在骨關節(jié)重建領域取得了良好的應用[17]。牛曉穎等[18]報道了 3D 打印定制化假體應用于 10 例青少年股骨原發(fā)惡性骨腫瘤的修復重建，通過假體的優(yōu)化設計及精確截骨保留了股骨遠端骨骺及關節(jié)面。然而對于僅殘留超薄關節(jié)面的骨缺損重建，仍然存在巨大挑戰(zhàn)[19]。

本組 8 例均采用個體化設計的 3D 打印假體修復重建保留自體關節(jié)面，由于假體界面優(yōu)越的骨整合能力以及特殊的個體化結構設計，使得關節(jié)面短期內和假體形成緊密牢固的結合，術后 2 個月即可負重鍛煉，而且隨著時間延長，保留關節(jié)面向假體界面周圍生長延伸，將原本有縫隙的空間覆蓋包裹，形成更加牢固的結合，再因其多孔結構提供良好的關節(jié)周圍軟組織黏附的能力，從而提供優(yōu)越的關節(jié)穩(wěn)定性。所有病例術后平均隨訪 43.5 個月，MSTS 評分平均達到 93.81%，提示 3D 打印假體修復重建保留自體關節(jié)的臨床效果滿意。

三、本研究 3D 打印假體的不足及經驗總結

盡管本研究的 3D 打印假體經過拓撲優(yōu)化設計，對假體力學需求較高的部分進行拓撲力學增強，但依然有 1 例骨缺損超過 20 cm 的患者，術后49 個月隨訪后發(fā)現(xiàn)假體應力集中部位斷裂，提示本研究的假體在設計和制備上還需要進一步改進。而目前臨床 3D 打印假體的制造和質量規(guī)范尚沒有統(tǒng)一標準，制造裝備的創(chuàng)新和突破仍需要臨床驗證，尤其是超長節(jié)段假體長期服役后的疲勞強度應重點考慮在設計和制造過程中，而這些問題需要大量臨床試驗提供數(shù)據(jù)支持。盡管本研究的初步結果顯示 3D打印假體修復重建保留自體關節(jié)面效果滿意，尤其是超薄厚度關節(jié)面的保留上顯示了其優(yōu)越性，但仍需要更多患者和更長隨訪時間的進一步研究來證實其有效性。