張政，官建中

(蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨科，安徽 蚌埠 233000)

發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)，其基本病理改變是股骨頭髖臼覆蓋的減少，其結(jié)果導(dǎo)致股骨頭的不穩(wěn)定及前外側(cè)移位，使關(guān)節(jié)負(fù)重狀態(tài)發(fā)生改變，對于成人DDH終末期骨性關(guān)節(jié)炎往往需要行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip arthroplasty,THA)，術(shù)中將面臨髖臼重建，髖關(guān)節(jié)周圍軟組織平衡、股骨髓腔處理三大難點(diǎn)[1]，由于成人DDH患者髖臼解剖結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生相當(dāng)大的改變，特別是CroweⅢ、Ⅳ型患者真臼發(fā)育差并受股骨頭蝕損的影響，外側(cè)壁常有缺損，在真臼上放置假體時(shí)，容易出現(xiàn)上緣缺少骨覆蓋，假體缺少足夠的支撐而松動(dòng)[2]，為此可以通過3D打印技術(shù)，在術(shù)前將患者患側(cè)髖臼打印出來，模擬手術(shù)操作，設(shè)計(jì)個(gè)體化的假體，對于改善Harris評分，恢復(fù)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心減少術(shù)后并發(fā)癥有重要的意義，現(xiàn)對3D打印技術(shù)在成人DDH患者中的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述，為臨床應(yīng)用提供參考。

1 3D打印技術(shù)的概念及原理

3D打印技術(shù)在20年前被首次引入,在當(dāng)時(shí)存在著難以制造、昂貴的價(jià)格以及未來很難在臨床上應(yīng)用等諸多問題[3]，但是近幾年3D打印技術(shù)以及相關(guān)輔助程序蓬勃發(fā)展，它在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用越來越普遍，在骨科的發(fā)展中也起著積極關(guān)鍵的作用。

3D打印是將電腦生成的三維圖形轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?，也被稱為快速成型技術(shù)。通常制造3D打印的模型是基于3D醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)圖像和通信(DICOM)格式的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以來至CT或者M(jìn)RI等。它是將金屬或塑料粉末等特殊材料利用激光束或熱熔噴嘴等方法，在二維X-Y平面內(nèi)粘結(jié)成截面形狀，然后在Z坐標(biāo)方向進(jìn)行層層疊加。與傳統(tǒng)的“切削去除”材料方法不同，3D打印采用“逐層增加”材料的方式來制作三維實(shí)體，這個(gè)過程所制造的特定的材料或植入物可能比傳統(tǒng)的制造業(yè)更劃算[4]，3D打印可以制造任何形式復(fù)雜的形狀和能夠?yàn)槎嗫撞牧咸峁┨峁┳罴训男阅芎蛷?qiáng)度[5]。它可以利用多種不同的材料，包括塑料、聚合物、玻璃、陶瓷、金屬和生物材料[6-8]。

電子束熔融快速成型技術(shù)(electron beam melting rapid prototyping,EBM RP),簡稱EBM RP技術(shù)，其作為3D打印技術(shù)的一個(gè)分支，被認(rèn)為是為植入物制造業(yè)帶來革命性變化的技術(shù)，系由高能電子束有選擇地熔化金屬粉末，并通過層層熔融堆積，直到制造出所需要的金屬零件的過程[9]。電子束作為能源的整個(gè)過程是發(fā)生在一個(gè)真空室當(dāng)中的，真空的條件下能夠確保提供無氧和高濃度氫的環(huán)境，這個(gè)特性非常有利于制造鈦金屬零件，因?yàn)樵谥圃斓倪^程中元素之間的間隙是可控的，同時(shí)成型艙內(nèi)溫度保持在700 ℃左右，起到消除殘余應(yīng)力，這非常有利于零件的塑形和強(qiáng)度達(dá)到最佳匹配[10]，目前EBM RP技術(shù)已用于生產(chǎn)髖、膝、下頜關(guān)節(jié)、頜面部的相關(guān)植入物[11-12]，以及多孔類骨小梁植入物假體。

2 術(shù)前規(guī)劃

發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(developmental dysplasia of the hip ，DDH)是一種常見的引起繼發(fā)性髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的疾病[13]，對于發(fā)展至終末期骨性關(guān)節(jié)炎的病人往往需要行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，但由于DDH患者的患髖長期處于一個(gè)病理狀態(tài)，導(dǎo)致其解剖結(jié)構(gòu)變的異常復(fù)雜,其共同的病理特征是髖臼前傾角增大，髖臼變的淺平，前外側(cè)髖臼壁的骨缺損，小股骨頭、股骨頸短且明顯前傾，股骨髓腔的細(xì)小，對于這些異常，尤其是遇到技術(shù)上難以解決的DDH患者，比如如何重建髖臼、如何確定髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，是否需要植骨和轉(zhuǎn)子下截骨術(shù)創(chuàng)造了困難。根據(jù)先前的研究報(bào)告，對這些病人進(jìn)行綜合的術(shù)前計(jì)劃可以減少手術(shù)持續(xù)時(shí)間和術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率[14-19]。

以往通過傳統(tǒng)的“徒手法”來確定髖臼假體的位置和方向，該方法的缺陷是由于患者體位的改變或者外科醫(yī)生的主觀性，髖臼假體的位置可能會(huì)偏離理想位置，為此我們可以通過3D打印技術(shù)，制備一個(gè)骨盆模型，并在該模型上進(jìn)行病情的評估和手術(shù)操作，可以幫助外科醫(yī)生預(yù)測植入物的大小以及位置。Zhang等[20]將20例先髖患者隨機(jī)分為常規(guī)手術(shù)組和3D打印導(dǎo)板組，術(shù)后對患者進(jìn)行評估，導(dǎo)板組的手術(shù)時(shí)間和出血量為118.6 min，410.9 mL顯著優(yōu)于常規(guī)手術(shù)組140.2 min，480.6 mL，假體植入的外展角和前傾角可控誤差(1.2±0.9)°和(2.1±1.2)°，顯著優(yōu)于常規(guī)手術(shù)組(5.4±3.2)°和(4.1±2.8)°。此外通過3D打印進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃所選擇的假體大小與實(shí)際手術(shù)中所選擇的具有高符合率。Xu等[21]對10例DDH患者(14髖)在THA術(shù)前進(jìn)行3D打印制造骨盆模型，并在該模型上進(jìn)行手術(shù)操作選擇合適的臼杯大小，與實(shí)際手術(shù)中選擇的相比，臼杯大小完全符合的有10髖(71.4%)，相差2 mm 的有3髖(21.4%)，相差4 mm的有1髖，顯著優(yōu)于根據(jù)二維影像學(xué)資料判斷所用臼杯大小，完全相符的有1髖(7.1%)，相差2 mm的有5髖(35.7%)，相差超過4 mm有8髖(57.1%)，另外國內(nèi)學(xué)者也指出3D打印技術(shù)在成人DDH患者行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中有重要的意義，官建中等[22]通過對8例髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的患者行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，術(shù)前通過3D打印模型，進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)髖臼缺損及硬化部位、缺損部位的大小，術(shù)中對髖臼假體打磨的范圍，術(shù)中確定髖臼中心位置與3D打印假體模型完全一致，手術(shù)時(shí)間、出血量較過去傳統(tǒng)手術(shù)明顯減少，術(shù)前準(zhǔn)備假體大小與術(shù)中所用一致，術(shù)后關(guān)節(jié)功能活動(dòng)改善。

3 個(gè)體化假體的制造

3.1股骨柄假體由于DDH患者骨髓腔形態(tài)變異很大，尤其是croweⅢ、Ⅳ型患者其股骨近端畸形、骨髓腔狹小、骨量儲備不充足、軟組織的攣縮等，所用普通的股骨柄假體經(jīng)常和股骨干髓腔不相匹配，導(dǎo)致手術(shù)操作時(shí)間延長、出血量增加、術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率增加。隨著金屬3D打印技術(shù)、精密儀器、材料學(xué)等的發(fā)展，特別是EBM金屬3D打印技術(shù)的發(fā)明及迅速發(fā)展，人們可以設(shè)計(jì)出一個(gè)不僅能和畸形的或者不規(guī)則的骨髓腔達(dá)到最優(yōu)契合的股骨假體而且能夠均勻的傳遞應(yīng)力，進(jìn)而減少應(yīng)力過度的集中或應(yīng)力過度的遮擋，因此股骨柄假體劈裂發(fā)生率、股骨近端骨密度的降低將明顯減少。Martini等[23]對60例患者使用個(gè)體化假體進(jìn)行隨訪，發(fā)現(xiàn)假體周圍骨密度較使用其他假體類型明顯增加，假體與髓腔更加契合。劉宏偉等[24]通過電子束熔融快速成型3D打印技術(shù)制備個(gè)性化股骨假體，該假體是根據(jù)患者自身股骨近端髓腔設(shè)計(jì)能夠與患者股骨髓腔達(dá)到最佳匹配及應(yīng)力分布，具有普通股骨假體無法媲美的優(yōu)勢，且該假體術(shù)中無需擴(kuò)髓，保留了完整的股骨矩，減省了擴(kuò)髓的時(shí)間。另外個(gè)體化的股骨假體能減少假體無菌性松動(dòng)的發(fā)生率，Koulouvaris等[25]對38例(48髖)先天性髖臼發(fā)育不良的患者行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，使用個(gè)體化定制股骨假體，術(shù)后平均隨訪時(shí)間為6年，所有病人未發(fā)現(xiàn)髖部疼痛及假體松動(dòng)。

3.2髖臼假體DDH患者缺乏正常髖關(guān)節(jié)的“杵臼”關(guān)系，髖臼與股骨頭不相匹配，由正常情況下的面-面接觸變成面-點(diǎn)接觸甚至點(diǎn)-點(diǎn)接觸，意味著髖關(guān)節(jié)受力面積減少，從而增加了髖關(guān)節(jié)的局部應(yīng)力，髖關(guān)節(jié)磨損加劇。其髖臼典型的病理改變?yōu)椋后y臼變淺、變小，髖臼的外上方及前壁往往會(huì)出現(xiàn)骨缺損，髖臼頂部發(fā)育異常，骨質(zhì)增生，髖臼對股骨頭覆蓋不佳，髖臼的旋轉(zhuǎn)中心外移等等[26]。隨著髖臼發(fā)育不良程度越深，髖臼的形態(tài)變異越大，脫位的股骨頭會(huì)在髖關(guān)節(jié)活動(dòng)中心以外形成假臼，假臼可以位于真臼之上，也可以與真臼重疊。為此對發(fā)展至終末期骨性關(guān)節(jié)炎的病人行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，髖臼的重建成為一大難點(diǎn)。由于標(biāo)準(zhǔn)化的假體與差異性的個(gè)體存在著矛盾，這就意味著設(shè)計(jì)個(gè)體化的假體勢必會(huì)降低手術(shù)難度，因此我們可以通過3D打印技術(shù)，特別是EBM金屬3D打印技術(shù)，采用更有利于患者的生物相容性鈦金屬粉末，不僅可以壓縮成本，而且在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)每個(gè)患者的不同提高機(jī)械性能。程文俊等[27]對19例(20髖)行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，按采用臼杯類型的不同隨機(jī)分為TTM組(3D打印鈦合金骨小梁臼杯)和Pinnacle組(Pinnacle臼杯)，術(shù)后6、12、24周進(jìn)行隨訪，結(jié)果表明全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)采用3D打印鈦合金金屬骨小梁臼杯的初始穩(wěn)定好，早期骨長入良好，短期療效滿意。Perticarini等[28]對134例行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)使用3D打印鈦金屬臼杯，術(shù)后進(jìn)行60～86個(gè)月的隨訪，未出現(xiàn)手術(shù)并發(fā)癥，99.3%的髖臼假體在影像學(xué)上是穩(wěn)定的，髖臼假體周圍未出現(xiàn)骨質(zhì)溶解現(xiàn)象。另外DDH患者出現(xiàn)髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的年齡往往較年輕，這勢必會(huì)造成翻修率的提高，且DDH患者髖臼變異程度較大，骨缺損更復(fù)雜，在翻修術(shù)中給術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)提出了更高的要求，因此在翻修術(shù)中面對標(biāo)準(zhǔn)化的臼杯或cage無法在廣泛髖臼骨缺損中提供有效的支撐情況下，可以通過3D打印技術(shù)，打印出1 ∶1等比例骨盆模型，確定骨缺損面積的大小，設(shè)計(jì)個(gè)體化的cage并進(jìn)行手術(shù)模擬操作，確定cage與宿主骨有效接觸。有研究對26例(26髖)患者的大面積髖臼骨缺損使用通過3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)個(gè)體化的cage，術(shù)后平均隨訪67個(gè)月，Harris評分平均從36改善到82，未發(fā)現(xiàn)假體在影像學(xué)上的移位[29]。Li等[30]對25例髖關(guān)節(jié)復(fù)雜骨缺損的患者使用定制化的cage，術(shù)后平均隨訪4.4年，未發(fā)現(xiàn)假體的松動(dòng)情況?？梢娡ㄟ^3D打印設(shè)計(jì)的個(gè)體化的cage能夠提供可靠初始穩(wěn)定性。

4 問題與不足

3D打印技術(shù)在DDH患者的治療中得到了廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)槠溆兄鴤鹘y(tǒng)手術(shù)技術(shù)無法具備的優(yōu)勢，但是隨著技術(shù)越來越進(jìn)步，其相應(yīng)的弊端越來越顯著。主要存在以下問題：(1)耗時(shí)長：3D打印是將一個(gè)二維的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成一個(gè)立體的三維實(shí)體，不管從數(shù)據(jù)的處理還是工藝的制造來說，都是一個(gè)耗時(shí)耗力的過程。(2)精度要求嚴(yán)格：雖然假體與宿主骨的完美匹配是3D打印得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，但是如果3D打印機(jī)精度出現(xiàn)問題或者是數(shù)據(jù)處理過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，這就可能造成打印的假體模型不相匹配，導(dǎo)致手術(shù)的失敗。(3)相關(guān)的法律法規(guī)尚不健全：個(gè)體化治療作為3D打印的優(yōu)勢，這勢必造成3D打印的產(chǎn)品不可能進(jìn)行批量生產(chǎn)，目前醫(yī)療器械審批的法律，法規(guī)是根據(jù)批量生產(chǎn)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，對于醫(yī)患關(guān)系尚且緊張的環(huán)境下，這將限制醫(yī)師對該產(chǎn)品的發(fā)展和利用。

5 展望

3D打印作為一項(xiàng)為骨科領(lǐng)域帶來革命性變化的技術(shù)，為DDH患者的治療帶來了福音。

目前3D打印技術(shù)在術(shù)前規(guī)劃，個(gè)體化假體制造等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，未來隨著材料學(xué)、影像學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，3D打印的成本將越來越低，也越來越會(huì)被人們所接受。應(yīng)用3D打印技術(shù)直接打印出有活性的骨骼、血管、肌腱等，甚至在手術(shù)過程中直接打印相應(yīng)的骨骼，做到真正的“原位打印”，這將是3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢。然而對于現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展速度來說，這將不再是遙不可及。