作者:南方醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院  趙暢

人工關節(jié)置換是治療髖膝關節(jié)終末期疾病的有效方法。過去10～20年間，人工關節(jié)置換術在我國發(fā)展迅猛，每年有超過20萬患者接受初次髖膝關節(jié)置換術，并以20%的速度增長，使患者消除疼痛、恢復行走及運動能力、提高生活質(zhì)量。然而人工關節(jié)假體存在一定的使用壽命，且初期關節(jié)置換術技術及假體設計亦尚不完善，術后10～20年即有一定比例的患者因各種原因需要行翻修術。

我國現(xiàn)有已行初次髖膝人工關節(jié)置換的患者超過300萬。近年來因各種原因行人工關節(jié)翻修術的患者已逐漸增多，并在5～10年內(nèi)將可預見地大量增加。關節(jié)置換翻修給社會帶來不小的經(jīng)濟負擔，治療常常需要多種術式，住院時間長，長時間的抗生素治療以及康復鍛煉。但隨著3D打印技術出現(xiàn)，給髖膝關節(jié)翻修帶來了新的一條道路。現(xiàn)將髖膝關節(jié)翻修中的關鍵問題及3D打印技術在其中的應用進展綜述如下。


髖膝關節(jié)翻修的主要原因

髖膝關節(jié)翻修的原因可分為三大類:關節(jié)內(nèi)生物力學原因、關節(jié)內(nèi)生物學原因、關節(jié)外原因。主要包括:關節(jié)置換術后感染、假體無菌性松動、假體周圍骨折、關節(jié)不穩(wěn)定和關節(jié)活動受限等。但早期與晚期患者行翻修術的主要原因不同，早期行翻修術的主要原因是關節(jié)置換術后感染、假體周圍骨折、關節(jié)不穩(wěn)定；而晚期行翻修術的主要原因為無菌性松動、假體的磨損。

髖膝關節(jié)翻修的關鍵問題

骨缺損  髖膝關節(jié)初次置換和翻修的目標都是保證關節(jié)的穩(wěn)定性和減緩關節(jié)的疼痛。但是，翻修比初次置換更加的復雜，其中最大的原因是往往需處理嚴重的骨缺損和韌帶止點的破壞。在翻修手術過程中移除骨水泥假體時會引起骨量嚴重丟失，然而假體感染翻修時可能會導致更多的骨量丟失。一旦要將感染的假體移除，就要徹底清除所有壞死組織和感染的骨組織，通常會進一步加重骨缺損。關于骨缺損的分型，膝關節(jié)現(xiàn)在普遍使用的是安德森骨科研究所分型系統(tǒng)(AORI)評分進行分型，髖關節(jié)通常使用的是Paprosky分型，進而根據(jù)不同的分型采用不同的處理方式。

骨移植作為髖膝關節(jié)翻修中骨缺損的主要治療方法，移植物的選擇主要包括:自體骨移植、同種異體骨移植、金屬移植物。自體移植骨主要用于輕度的骨缺損，取自于身體其他部位的骨組織，可以是松質(zhì)骨或骨皮質(zhì)，以及包括骨皮質(zhì)的松質(zhì)骨組織。從生物學角度來看，新鮮的自體骨擁有最好的適應性，和宿主沒有排斥反應，并且能為骨組織生長提供生長因子，且不會存在移植風險。但有報道，自體骨移植可導致患者取骨處疼痛、存在一定的供區(qū)并發(fā)癥風險，且數(shù)量是有限的。

目前同種異體骨在臨床上已得到了廣泛的應用。其主要的優(yōu)點是有多種的形狀和型號，無需切除自身的組織，避免了取材處的病理變化，并且有骨誘導活性，但是缺乏活細胞，因此較自體骨的成骨活性較差。此外，異體骨移植存在感染疾病的風險，還可能出現(xiàn)免疫移植反應。結(jié)構性骨移植可適用于較大的骨缺損。結(jié)構性骨移植的主要優(yōu)點是相對經(jīng)濟并可以恢復骨量以及韌帶附著點。但是有文獻報道，結(jié)構性移植物術后存在較高的并發(fā)癥率(20%)和失敗率(22.8%)，5年生存期率為67%～92%。裴福興等認為，在翻修中應當盡量減少結(jié)構性異體骨移植，髖關節(jié)翻修手術中最難處理的問題是連續(xù)性中斷型骨缺損，這種類型并發(fā)率高，即使采用鋼板固定髖臼的前后柱，并在骨缺損處植骨，但一旦出現(xiàn)愈合不良，所有的固定作用都化為烏有，最后導致翻修失敗。

與結(jié)構性移植物相比，模塊化金屬植入材料，特別是鉭金屬具有良好的生物力學特性，接近松質(zhì)骨，并且翻修時無需切除大量的骨組織，術后骨重建的時間較短，但是成本要相對昂貴。近年來，Brown等報道稱79例患者在膝關節(jié)翻修中使用多孔鉭金屬后，10例(12%)患者需要行二次翻修手術，37例(45%)患者出現(xiàn)至少一個并發(fā)癥。

Lachiewicz等通過回顧性研究發(fā)現(xiàn)27例患者，因感染、假體松動、骨磨損行膝關節(jié)翻修術中使用多孔鉭金屬，隨訪7年后發(fā)現(xiàn)1例患者需再次翻修，只有1例患者的骨與鉭金屬結(jié)合良好。
因此，在重建骨缺損的治療中，并沒有達成一致的意見，鉭金屬相對其他方式而言，目前是一個較為可行的方案。但仍存在外形與缺損不匹配、影響假體固定、初期穩(wěn)定性差、配件之間存在界面、松動失敗率高等因素，限制了金屬移植物的應用。

術前規(guī)劃  相對于髖膝關節(jié)初次置換，翻修手術更加復雜。目前關節(jié)翻修術前計劃中最大的困難是如何明確翻修假體的具體型號。明確假體的型號會有助于選擇合適的工具，使手術時間和骨量丟失，軟組織損傷降到最低?？s短翻修手術時間有助于降低并發(fā)癥率(深靜脈血栓、出血、心肌梗塞等)，提升患者對手術的耐受能力。通常只有在術中將原移植物去除后才能明確翻修假體型號，當型號不確定，必須要有一個經(jīng)驗豐富、技藝嫻熟的外科醫(yī)生參與手術。擁有良好的術前規(guī)劃有助于減少翻修手術后出現(xiàn)各種并發(fā)癥的可能性。

目前髖膝關節(jié)翻修的術前規(guī)劃很大部分依賴于影像學手段。X線簡單、經(jīng)濟，能直觀顯示骨骼結(jié)構及假體的位置，但其用于評估骨缺損和假體型號的準確性不高。螺旋CT評估骨缺損相對X線更為敏感，但是不能很好顯示軟組織的改變，不能準確軟組織的損害程度。MRI對軟組織評估有著重要作用，通過不同的序列對軟組織顯像，但MRI對金屬偽影較大，對置換后患者的假體難以清晰顯示。傳統(tǒng)術前規(guī)劃，臨床醫(yī)生必須依靠影像學的二維、三維圖像，然后通過在腦海構出立體解剖圖像，對骨缺損進行評估。但是，骨骼、軟組織是一個整體，單憑腦海想象難以得到解剖結(jié)構、機械應力、缺損范圍等方面的準確信息，特別對于年輕的臨床醫(yī)生來說，利用當前的手段難以準確地確定翻修假體的型號。

個性化假體的需求  假體在髖膝關節(jié)置換中的應用中，不斷在追求個性化、精確化。從1891年德國醫(yī)生Cluck使用象牙做成的股骨頭與髖臼開創(chuàng)了人工關節(jié)置換，到1962年為了減少假體間的摩擦，JohnCharnley發(fā)明了聚四氟乙烯做髖臼，金屬材料做股骨柄的假體，并取得了巨大的成功。在20世紀70年代，由于骨水泥界面的老化，進而引起假體松動，非骨水泥開始興起，但同樣存在假體的問題。于是，為了適應人體的負荷傳導和生物力學環(huán)境，開始提倡個性化人工假體。

Aldinger等最早開始應用CT數(shù)據(jù)來定制髖關節(jié)假體，發(fā)現(xiàn)這樣可以在相當程度上改善預后和降低并發(fā)率。骨吸收和無菌性松動是影響假體壽命的主要因素，然而個性化假體可以有效減少和防止骨缺損以及無菌性松動。尤其在髖膝關節(jié)翻修中，有效減少假體周圍的骨缺損和松動將大大降低髖膝關節(jié)二次翻修的可能性。在髖膝關節(jié)翻修過程中，不可避免地導致關節(jié)骨量丟失，以及假體周圍骨折后導致關節(jié)存在不規(guī)則，這些因素將導致術中假體的型號不確定，普通型號的假體不再適應每位患者的情況。因此翻修術中由于患者型號的差別、骨缺損造成缺損形狀不規(guī)則，這將為手術帶來非常大的難度，不能準確為患者換上個體化的假體，進一步下肢力線糾正，重新讓患者下肢功能恢復。

假體周圍骨折  隨著人工髖膝關節(jié)技術開展的普及，已成為髖膝關節(jié)疾病的標準手術治療策略，大部分患者初次置換后，關節(jié)功能都能夠得到明顯的改善。但術后由于下肢應力的改變和骨質(zhì)疏松，假體周圍骨折的病例日趨多見。臨床上常常會碰到一些復雜的假體周圍骨折手術。關節(jié)置換術后發(fā)生假體周圍骨折，往往復位困難，對骨折復位的要求更高，手術要依靠術者的經(jīng)驗和手術技巧來完成，耗時較長，術后并發(fā)癥多，內(nèi)固定物的植入需要靠醫(yī)生的解剖知識、手術經(jīng)驗來完成。每個個體之間存在差異，有時候會出現(xiàn)螺釘進入關節(jié)腔的情況，不僅增加了手術時間，還增大了患者術中X線的暴露。因此復制損傷部位的骨骼模型及個性化內(nèi)固定材料設計對臨床醫(yī)生十分重要。


3D打印技術在髖膝關節(jié)翻修術中的應用

近30年來骨科醫(yī)療技術已經(jīng)有了快速的進步:從開放手術到微創(chuàng)手術，從人工假體的研發(fā)到正在研發(fā)的高科技模擬器。最近一個具有創(chuàng)新性的事件是3D打印技術的應用。它給組織工程、假體設計制造帶來了革命性的改變，并成為了骨科手術的一部分。與傳統(tǒng)消材、減材相反，3D打印技術是在三維數(shù)字模型的基礎上采用逐層制造將材料堆積起來的新型技術，不僅可在術前給手術醫(yī)生復制出骨骼模型，還可以為患者定制個性化假體修復骨缺損，目前已經(jīng)在人工髖膝關節(jié)置換及翻修中得到應用。

骨缺損  前面已經(jīng)敘述骨缺損是髖膝關節(jié)翻修中對于骨科醫(yī)生來說最大的困難，骨移植是目前使用最多的治療方法，通過移植骨來保證重建術后假體穩(wěn)定性。骨移植材料用的最多的是自體骨移植、同種異體骨移植、金屬移植物。

3D打印技術作為一種新型技術開始得到了廣泛的認可，可用于生產(chǎn)有生物特性的可以調(diào)控孔徑大小、孔隙率分布的組織工程材料，為組織再生提供支架。最近，已有報道使用3D打印技術生物活力良好制備大孔隙凝膠甲基丙烯酰胺，并有人使用3D打印技術聯(lián)合多孔仿生技術制作出個性化下頜骨假體，使植入物不僅具有精良的三維空間結(jié)構，其內(nèi)部微孔結(jié)構還具有極好的生物相容性，有利于細胞的粘附和增殖，使活體骨與假體牢固地結(jié)合起來，促進骨組織修復。

目前β-TCP成為了3D打印的主要生產(chǎn)材料，其具有良好的生物性能，不僅可以促進細胞增殖以及長入孔隙中，還可以通過制造出不同孔隙率的假體。此外，β-磷酸鈣能通過加入SrO和MgO來改變材料的性能，這樣用β-磷酸鈣打印可以根據(jù)需要出不同性能的假體。此外隨著技術的發(fā)展，3D打印材料不僅促進骨愈合，而且可以將藥物，例如萬古霉素混合在打印粉末當中，通過低溫打印可以確保藥物的作用，打印出來的假體具有良好的抗菌作用。

導航模塊及術前規(guī)劃  隨著3D打印技術在骨科的應用越來越廣泛，其在髖膝關節(jié)翻修中的應用也有良好的前景。傳統(tǒng)手術利用髓內(nèi)外定位導向裝置進行定位截骨，術中需要開放股骨、脛骨髓腔進行定位，不可避免地存在一定的誤差。定制導航截骨板，術中安裝簡單，無需安裝定位器，能明顯減少術中出血量并減少循環(huán)系統(tǒng)血栓的形成，可減少肺栓塞等并發(fā)癥的發(fā)生。髖膝翻修手術的療效很大程度上決定于術前準備及手術操作，通過常規(guī)影像學檢查獲取患者的髖膝關節(jié)數(shù)據(jù)，在計算機軟件的輔助下將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型，通過3D打印制作術中的截骨導板，有可能是一種減少髖膝關節(jié)置換或翻修的手術時間及出血量，提高假體生存率及膝關節(jié)功能的有效方法。

潘偉等術前利用CT及MRI掃描，建立膝關節(jié)3D解剖模型并模擬手術及設計導板，術中引導截骨來治療脛骨近端惡性腫瘤16例，術后隨訪31個月，無假體松動、感染等并發(fā)癥發(fā)生。劉峰等通過對照實驗，實驗組15例，利用CT掃描數(shù)據(jù)，計算機3D建模，利用3D打印快速成型技術打印實體的截骨切模，術中引導行膝關節(jié)置換，對照組14例使用傳統(tǒng)手術方法，術后3個月發(fā)現(xiàn)實驗組手術時間、術中出血、術后引流量均明顯低于對照組，紐約特種外科醫(yī)院膝關節(jié)功能評分(HSS)明顯高于對照組。吳東迎等通過對照實驗，實驗組應用3D打印技術制作截骨模板，對照組使用傳統(tǒng)截骨模板，術后實驗組在膝關節(jié)活動度、HSS評分、下肢力線均明顯優(yōu)于對照組。

在髖膝關節(jié)翻修中，3D打印技術因其可以為患者“量身定制”個體化模型，使關節(jié)翻修中假體型號的選擇、假體安放位置的準確性以及畸形的矯正程度等技術難題得到解決。而制作截骨模板進行髖膝關節(jié)翻修將會減少手術創(chuàng)傷、縮短手術時間、減少術中出血量和降低并發(fā)癥發(fā)生率等，提高患者預后。

個性化假體  髖膝關節(jié)置換或翻修后，維持生物型假體長期穩(wěn)定性的最重要因素是假體表面與骨界面之間的長入狀況。傳統(tǒng)假體表面的處理技術有多種，早期有鈦粉噴涂、鈦珠燒結(jié)、金屬絲編制等，其最大的缺點就是孔隙率不足、孔徑不均一，不利于骨長入。鉭金屬骨小梁因其孔徑大小、孔隙率、彈性模量接近于正常松質(zhì)骨，在臨床上廣泛應用。

但鉭金屬骨小梁微孔涂層采用傳統(tǒng)燒結(jié)技術，通過燒結(jié)、噴涂等表面處理技術將假體與表面涂層相結(jié)合，假體和涂層之間不免存在力學薄弱地帶，粘接強度偏低，在長期使用過程中有可能發(fā)生表面涂層部分脫落，進而造成假體松動等需要翻修的情況。3D打印技術可運用粉末金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體，不需在傳統(tǒng)的機械加工和進行模具切割等，可直接由計算機制作出零件的圖形和3D數(shù)據(jù)，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。國內(nèi)外臨床已經(jīng)開始使用3D打印技術，進行個性化假體的制作、應用。程文俊等在全髖關節(jié)置換術中采用3D打印技術制作的鈦合金骨小梁金屬臼杯，他們認為這種3D打印假體的初始穩(wěn)定性及早期骨長入良好，短期療效滿意。

在一些特異性高的手術上，3D打印技術不僅可以模擬骨骼實體，還可以根據(jù)手術要求制備個體化手術器械。Lee等應用該技術制備了個體化股骨假體和股骨髓腔導向器，使手術更精準，成功為2例石骨癥患者施行人工全髖關節(jié)置換術。He等利用3D打印技術制備了半膝關節(jié)和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結(jié)成型技術制備出個體化鈦鋁合金半膝關節(jié)和多孔生物陶瓷人工骨，并將組裝后的復合半膝關節(jié)假體植入患者體內(nèi)，術后隨訪表明該復合半膝關節(jié)假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機械強度。劉勝厚等通過利用術前影像學數(shù)據(jù)，利用3D打印技術繪制個體化Cage的設計圖紙，工廠按照圖紙進行制造Cage實物，成功對假體松動的患者進行膝關節(jié)置換，術后患者HSS評分85分，功能恢復良好，1年未見關節(jié)假體松動。

假體周圍骨折  3D打印技術很好地幫助臨床醫(yī)生解決假體骨折問題，通過3D模型可充分了解假體周圍骨折情況，選擇合適的術式、以及確定假體的大小、完善術前計劃，制作術中進行手術導航、引導內(nèi)固定物植入的導板，進而減少手術時間、出血量，幫助臨床醫(yī)生做出更好的決策。Xu等在10例髖關節(jié)翻修術前1∶1打印出骨盆的模型，通過在模型上實驗，選擇合適的髖臼杯，進而減少術中手術時間和出血量，術后沒有發(fā)生關節(jié)再次翻修，關節(jié)功能評分得到了顯著的提高。

Won等利用3D打印技術制作患者髖臼模型，為21例髖關節(jié)嚴重畸形患者制定手術方案并施行了人工全髖關節(jié)置換術，明顯縮短了手術時間、出血量，術后影像學檢查結(jié)果證實假體組件均按計劃精確植入。此外，3D打印技術針對復雜骨折患者，相對于傳統(tǒng)骨折固定方法有著明顯的優(yōu)勢。曾參軍等用3D打印技術在術前制作出骨盆骨折的模型，Mimics軟件虛擬鋼板最佳位置，現(xiàn)實中將鋼板進行預彎，在體外進行模擬手術，術者在術中能得心應手從而能減少手術誤差。臨床上，髖膝關節(jié)翻修術中也會有假體周圍骨折的患者，同樣也需要對骨折進行固定，應用3D打印技術將可大大降低手術的難度，通過術前模擬術中精準固定，相對于傳統(tǒng)手術，不僅可減少手術時間，還可提高鋼板與骨面的敷貼能力，改善患者的預后功能。
3D打印技術的應用前景

隨著3D打印的技術不斷發(fā)展，成本越來越低，打印的速度越來越快，操作越來越簡單，在術前打印3D模型、術前模擬、術中指導、假體移植成為必要。在觀察患處解剖、病理方面，雖然CT和MRI影像學技術是不可替代的，但是建立3D模型，可以為外科醫(yī)生治療提供最佳方案。此外，運用這些影像學技術，可以在模型用不同的顏色表示不同的組織。這樣能使得隱藏在假體下的情況，更加直觀的反映在醫(yī)生的眼前，從而使得手術流程更加的流暢，進而減少手術時間，提高患者預后。在術中，3D打印技術可以打印出導航模板，可以更加精確在髖膝關節(jié)翻修中截取出需要的骨平面，進而利用3D打印技術，打印出所需的個性化假體，假體材料表面孔隙率更加符合要求，讓骨細胞更好的分化、增殖等。

盡管3D打印技術在目前仍存在局限性，但其在未來髖膝關節(jié)翻修發(fā)展中必會起到?jīng)Q定性的作用。目前在生物醫(yī)學領域，3D打印技術已被應用于器官模型的制造與手術分析策劃，個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細胞或組織打印等方面。3D打印技術被廣泛應用于組織工程骨和軟骨研究領域，在關節(jié)外科修復重建領域展示了良好的應用。采用3D打印技術制備的組織工程支架材料不僅具有與缺損組織相匹配的解剖外形，同時也具有滿足細胞黏附、增殖的內(nèi)部多孔結(jié)構。

3D打印是一項振奮人心的技術，給以往困難棘手的問題提供了一項新的解決方法，給髖膝關節(jié)置換翻修手術提供一條全新的道路。

來源：中華關節(jié)外科雜志(電子版)2017年6月第11卷第3期

作者:南方醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院  趙暢

人工關節(jié)置換是治療髖膝關節(jié)終末期疾病的有效方法。過去10～20年間，人工關節(jié)置換術在我國發(fā)展迅猛，每年有超過20萬患者接受初次髖膝關節(jié)置換術，并以20%的速度增長，使患者消除疼痛、恢復行走及運動能力、提高生活質(zhì)量。然而人工關節(jié)假體存在一定的使用壽命，且初期關節(jié)置換術技術及假體設計亦尚不完善，術后10～20年即有一定比例的患者因各種原因需要行翻修術。

我國現(xiàn)有已行初次髖膝人工關節(jié)置換的患者超過300萬。近年來因各種原因行人工關節(jié)翻修術的患者已逐漸增多，并在5～10年內(nèi)將可預見地大量增加。關節(jié)置換翻修給社會帶來不小的經(jīng)濟負擔，治療常常需要多種術式，住院時間長，長時間的抗生素治療以及康復鍛煉。但隨著3D打印技術出現(xiàn)，給髖膝關節(jié)翻修帶來了新的一條道路。現(xiàn)將髖膝關節(jié)翻修中的關鍵問題及3D打印技術在其中的應用進展綜述如下。


髖膝關節(jié)翻修的主要原因

髖膝關節(jié)翻修的原因可分為三大類:關節(jié)內(nèi)生物力學原因、關節(jié)內(nèi)生物學原因、關節(jié)外原因。主要包括:關節(jié)置換術后感染、假體無菌性松動、假體周圍骨折、關節(jié)不穩(wěn)定和關節(jié)活動受限等。但早期與晚期患者行翻修術的主要原因不同，早期行翻修術的主要原因是關節(jié)置換術后感染、假體周圍骨折、關節(jié)不穩(wěn)定；而晚期行翻修術的主要原因為無菌性松動、假體的磨損。

髖膝關節(jié)翻修的關鍵問題

骨缺損  髖膝關節(jié)初次置換和翻修的目標都是保證關節(jié)的穩(wěn)定性和減緩關節(jié)的疼痛。但是，翻修比初次置換更加的復雜，其中最大的原因是往往需處理嚴重的骨缺損和韌帶止點的破壞。在翻修手術過程中移除骨水泥假體時會引起骨量嚴重丟失，然而假體感染翻修時可能會導致更多的骨量丟失。一旦要將感染的假體移除，就要徹底清除所有壞死組織和感染的骨組織，通常會進一步加重骨缺損。關于骨缺損的分型，膝關節(jié)現(xiàn)在普遍使用的是安德森骨科研究所分型系統(tǒng)(AORI)評分進行分型，髖關節(jié)通常使用的是Paprosky分型，進而根據(jù)不同的分型采用不同的處理方式。

骨移植作為髖膝關節(jié)翻修中骨缺損的主要治療方法，移植物的選擇主要包括:自體骨移植、同種異體骨移植、金屬移植物。自體移植骨主要用于輕度的骨缺損，取自于身體其他部位的骨組織，可以是松質(zhì)骨或骨皮質(zhì)，以及包括骨皮質(zhì)的松質(zhì)骨組織。從生物學角度來看，新鮮的自體骨擁有最好的適應性，和宿主沒有排斥反應，并且能為骨組織生長提供生長因子，且不會存在移植風險。但有報道，自體骨移植可導致患者取骨處疼痛、存在一定的供區(qū)并發(fā)癥風險，且數(shù)量是有限的。

目前同種異體骨在臨床上已得到了廣泛的應用。其主要的優(yōu)點是有多種的形狀和型號，無需切除自身的組織，避免了取材處的病理變化，并且有骨誘導活性，但是缺乏活細胞，因此較自體骨的成骨活性較差。此外，異體骨移植存在感染疾病的風險，還可能出現(xiàn)免疫移植反應。結(jié)構性骨移植可適用于較大的骨缺損。結(jié)構性骨移植的主要優(yōu)點是相對經(jīng)濟并可以恢復骨量以及韌帶附著點。但是有文獻報道，結(jié)構性移植物術后存在較高的并發(fā)癥率(20%)和失敗率(22.8%)，5年生存期率為67%～92%。裴福興等認為，在翻修中應當盡量減少結(jié)構性異體骨移植，髖關節(jié)翻修手術中最難處理的問題是連續(xù)性中斷型骨缺損，這種類型并發(fā)率高，即使采用鋼板固定髖臼的前后柱，并在骨缺損處植骨，但一旦出現(xiàn)愈合不良，所有的固定作用都化為烏有，最后導致翻修失敗。

與結(jié)構性移植物相比，模塊化金屬植入材料，特別是鉭金屬具有良好的生物力學特性，接近松質(zhì)骨，并且翻修時無需切除大量的骨組織，術后骨重建的時間較短，但是成本要相對昂貴。近年來，Brown等報道稱79例患者在膝關節(jié)翻修中使用多孔鉭金屬后，10例(12%)患者需要行二次翻修手術，37例(45%)患者出現(xiàn)至少一個并發(fā)癥。

Lachiewicz等通過回顧性研究發(fā)現(xiàn)27例患者，因感染、假體松動、骨磨損行膝關節(jié)翻修術中使用多孔鉭金屬，隨訪7年后發(fā)現(xiàn)1例患者需再次翻修，只有1例患者的骨與鉭金屬結(jié)合良好。
因此，在重建骨缺損的治療中，并沒有達成一致的意見，鉭金屬相對其他方式而言，目前是一個較為可行的方案。但仍存在外形與缺損不匹配、影響假體固定、初期穩(wěn)定性差、配件之間存在界面、松動失敗率高等因素，限制了金屬移植物的應用。

術前規(guī)劃  相對于髖膝關節(jié)初次置換，翻修手術更加復雜。目前關節(jié)翻修術前計劃中最大的困難是如何明確翻修假體的具體型號。明確假體的型號會有助于選擇合適的工具，使手術時間和骨量丟失，軟組織損傷降到最低?？s短翻修手術時間有助于降低并發(fā)癥率(深靜脈血栓、出血、心肌梗塞等)，提升患者對手術的耐受能力。通常只有在術中將原移植物去除后才能明確翻修假體型號，當型號不確定，必須要有一個經(jīng)驗豐富、技藝嫻熟的外科醫(yī)生參與手術。擁有良好的術前規(guī)劃有助于減少翻修手術后出現(xiàn)各種并發(fā)癥的可能性。

目前髖膝關節(jié)翻修的術前規(guī)劃很大部分依賴于影像學手段。X線簡單、經(jīng)濟，能直觀顯示骨骼結(jié)構及假體的位置，但其用于評估骨缺損和假體型號的準確性不高。螺旋CT評估骨缺損相對X線更為敏感，但是不能很好顯示軟組織的改變，不能準確軟組織的損害程度。MRI對軟組織評估有著重要作用，通過不同的序列對軟組織顯像，但MRI對金屬偽影較大，對置換后患者的假體難以清晰顯示。傳統(tǒng)術前規(guī)劃，臨床醫(yī)生必須依靠影像學的二維、三維圖像，然后通過在腦海構出立體解剖圖像，對骨缺損進行評估。但是，骨骼、軟組織是一個整體，單憑腦海想象難以得到解剖結(jié)構、機械應力、缺損范圍等方面的準確信息，特別對于年輕的臨床醫(yī)生來說，利用當前的手段難以準確地確定翻修假體的型號。

個性化假體的需求  假體在髖膝關節(jié)置換中的應用中，不斷在追求個性化、精確化。從1891年德國醫(yī)生Cluck使用象牙做成的股骨頭與髖臼開創(chuàng)了人工關節(jié)置換，到1962年為了減少假體間的摩擦，JohnCharnley發(fā)明了聚四氟乙烯做髖臼，金屬材料做股骨柄的假體，并取得了巨大的成功。在20世紀70年代，由于骨水泥界面的老化，進而引起假體松動，非骨水泥開始興起，但同樣存在假體的問題。于是，為了適應人體的負荷傳導和生物力學環(huán)境，開始提倡個性化人工假體。

Aldinger等最早開始應用CT數(shù)據(jù)來定制髖關節(jié)假體，發(fā)現(xiàn)這樣可以在相當程度上改善預后和降低并發(fā)率。骨吸收和無菌性松動是影響假體壽命的主要因素，然而個性化假體可以有效減少和防止骨缺損以及無菌性松動。尤其在髖膝關節(jié)翻修中，有效減少假體周圍的骨缺損和松動將大大降低髖膝關節(jié)二次翻修的可能性。在髖膝關節(jié)翻修過程中，不可避免地導致關節(jié)骨量丟失，以及假體周圍骨折后導致關節(jié)存在不規(guī)則，這些因素將導致術中假體的型號不確定，普通型號的假體不再適應每位患者的情況。因此翻修術中由于患者型號的差別、骨缺損造成缺損形狀不規(guī)則，這將為手術帶來非常大的難度，不能準確為患者換上個體化的假體，進一步下肢力線糾正，重新讓患者下肢功能恢復。

假體周圍骨折  隨著人工髖膝關節(jié)技術開展的普及，已成為髖膝關節(jié)疾病的標準手術治療策略，大部分患者初次置換后，關節(jié)功能都能夠得到明顯的改善。但術后由于下肢應力的改變和骨質(zhì)疏松，假體周圍骨折的病例日趨多見。臨床上常常會碰到一些復雜的假體周圍骨折手術。關節(jié)置換術后發(fā)生假體周圍骨折，往往復位困難，對骨折復位的要求更高，手術要依靠術者的經(jīng)驗和手術技巧來完成，耗時較長，術后并發(fā)癥多，內(nèi)固定物的植入需要靠醫(yī)生的解剖知識、手術經(jīng)驗來完成。每個個體之間存在差異，有時候會出現(xiàn)螺釘進入關節(jié)腔的情況，不僅增加了手術時間，還增大了患者術中X線的暴露。因此復制損傷部位的骨骼模型及個性化內(nèi)固定材料設計對臨床醫(yī)生十分重要。


3D打印技術在髖膝關節(jié)翻修術中的應用

近30年來骨科醫(yī)療技術已經(jīng)有了快速的進步:從開放手術到微創(chuàng)手術，從人工假體的研發(fā)到正在研發(fā)的高科技模擬器。最近一個具有創(chuàng)新性的事件是3D打印技術的應用。它給組織工程、假體設計制造帶來了革命性的改變，并成為了骨科手術的一部分。與傳統(tǒng)消材、減材相反，3D打印技術是在三維數(shù)字模型的基礎上采用逐層制造將材料堆積起來的新型技術，不僅可在術前給手術醫(yī)生復制出骨骼模型，還可以為患者定制個性化假體修復骨缺損，目前已經(jīng)在人工髖膝關節(jié)置換及翻修中得到應用。

骨缺損  前面已經(jīng)敘述骨缺損是髖膝關節(jié)翻修中對于骨科醫(yī)生來說最大的困難，骨移植是目前使用最多的治療方法，通過移植骨來保證重建術后假體穩(wěn)定性。骨移植材料用的最多的是自體骨移植、同種異體骨移植、金屬移植物。

3D打印技術作為一種新型技術開始得到了廣泛的認可，可用于生產(chǎn)有生物特性的可以調(diào)控孔徑大小、孔隙率分布的組織工程材料，為組織再生提供支架。最近，已有報道使用3D打印技術生物活力良好制備大孔隙凝膠甲基丙烯酰胺，并有人使用3D打印技術聯(lián)合多孔仿生技術制作出個性化下頜骨假體，使植入物不僅具有精良的三維空間結(jié)構，其內(nèi)部微孔結(jié)構還具有極好的生物相容性，有利于細胞的粘附和增殖，使活體骨與假體牢固地結(jié)合起來，促進骨組織修復。

目前β-TCP成為了3D打印的主要生產(chǎn)材料，其具有良好的生物性能，不僅可以促進細胞增殖以及長入孔隙中，還可以通過制造出不同孔隙率的假體。此外，β-磷酸鈣能通過加入SrO和MgO來改變材料的性能，這樣用β-磷酸鈣打印可以根據(jù)需要出不同性能的假體。此外隨著技術的發(fā)展，3D打印材料不僅促進骨愈合，而且可以將藥物，例如萬古霉素混合在打印粉末當中，通過低溫打印可以確保藥物的作用，打印出來的假體具有良好的抗菌作用。

導航模塊及術前規(guī)劃  隨著3D打印技術在骨科的應用越來越廣泛，其在髖膝關節(jié)翻修中的應用也有良好的前景。傳統(tǒng)手術利用髓內(nèi)外定位導向裝置進行定位截骨，術中需要開放股骨、脛骨髓腔進行定位，不可避免地存在一定的誤差。定制導航截骨板，術中安裝簡單，無需安裝定位器，能明顯減少術中出血量并減少循環(huán)系統(tǒng)血栓的形成，可減少肺栓塞等并發(fā)癥的發(fā)生。髖膝翻修手術的療效很大程度上決定于術前準備及手術操作，通過常規(guī)影像學檢查獲取患者的髖膝關節(jié)數(shù)據(jù)，在計算機軟件的輔助下將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型，通過3D打印制作術中的截骨導板，有可能是一種減少髖膝關節(jié)置換或翻修的手術時間及出血量，提高假體生存率及膝關節(jié)功能的有效方法。

潘偉等術前利用CT及MRI掃描，建立膝關節(jié)3D解剖模型并模擬手術及設計導板，術中引導截骨來治療脛骨近端惡性腫瘤16例，術后隨訪31個月，無假體松動、感染等并發(fā)癥發(fā)生。劉峰等通過對照實驗，實驗組15例，利用CT掃描數(shù)據(jù)，計算機3D建模，利用3D打印快速成型技術打印實體的截骨切模，術中引導行膝關節(jié)置換，對照組14例使用傳統(tǒng)手術方法，術后3個月發(fā)現(xiàn)實驗組手術時間、術中出血、術后引流量均明顯低于對照組，紐約特種外科醫(yī)院膝關節(jié)功能評分(HSS)明顯高于對照組。吳東迎等通過對照實驗，實驗組應用3D打印技術制作截骨模板，對照組使用傳統(tǒng)截骨模板，術后實驗組在膝關節(jié)活動度、HSS評分、下肢力線均明顯優(yōu)于對照組。

在髖膝關節(jié)翻修中，3D打印技術因其可以為患者“量身定制”個體化模型，使關節(jié)翻修中假體型號的選擇、假體安放位置的準確性以及畸形的矯正程度等技術難題得到解決。而制作截骨模板進行髖膝關節(jié)翻修將會減少手術創(chuàng)傷、縮短手術時間、減少術中出血量和降低并發(fā)癥發(fā)生率等，提高患者預后。

個性化假體  髖膝關節(jié)置換或翻修后，維持生物型假體長期穩(wěn)定性的最重要因素是假體表面與骨界面之間的長入狀況。傳統(tǒng)假體表面的處理技術有多種，早期有鈦粉噴涂、鈦珠燒結(jié)、金屬絲編制等，其最大的缺點就是孔隙率不足、孔徑不均一，不利于骨長入。鉭金屬骨小梁因其孔徑大小、孔隙率、彈性模量接近于正常松質(zhì)骨，在臨床上廣泛應用。

但鉭金屬骨小梁微孔涂層采用傳統(tǒng)燒結(jié)技術，通過燒結(jié)、噴涂等表面處理技術將假體與表面涂層相結(jié)合，假體和涂層之間不免存在力學薄弱地帶，粘接強度偏低，在長期使用過程中有可能發(fā)生表面涂層部分脫落，進而造成假體松動等需要翻修的情況。3D打印技術可運用粉末金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體，不需在傳統(tǒng)的機械加工和進行模具切割等，可直接由計算機制作出零件的圖形和3D數(shù)據(jù)，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。國內(nèi)外臨床已經(jīng)開始使用3D打印技術，進行個性化假體的制作、應用。程文俊等在全髖關節(jié)置換術中采用3D打印技術制作的鈦合金骨小梁金屬臼杯，他們認為這種3D打印假體的初始穩(wěn)定性及早期骨長入良好，短期療效滿意。

在一些特異性高的手術上，3D打印技術不僅可以模擬骨骼實體，還可以根據(jù)手術要求制備個體化手術器械。Lee等應用該技術制備了個體化股骨假體和股骨髓腔導向器，使手術更精準，成功為2例石骨癥患者施行人工全髖關節(jié)置換術。He等利用3D打印技術制備了半膝關節(jié)和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結(jié)成型技術制備出個體化鈦鋁合金半膝關節(jié)和多孔生物陶瓷人工骨，并將組裝后的復合半膝關節(jié)假體植入患者體內(nèi)，術后隨訪表明該復合半膝關節(jié)假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機械強度。劉勝厚等通過利用術前影像學數(shù)據(jù)，利用3D打印技術繪制個體化Cage的設計圖紙，工廠按照圖紙進行制造Cage實物，成功對假體松動的患者進行膝關節(jié)置換，術后患者HSS評分85分，功能恢復良好，1年未見關節(jié)假體松動。

假體周圍骨折  3D打印技術很好地幫助臨床醫(yī)生解決假體骨折問題，通過3D模型可充分了解假體周圍骨折情況，選擇合適的術式、以及確定假體的大小、完善術前計劃，制作術中進行手術導航、引導內(nèi)固定物植入的導板，進而減少手術時間、出血量，幫助臨床醫(yī)生做出更好的決策。Xu等在10例髖關節(jié)翻修術前1∶1打印出骨盆的模型，通過在模型上實驗，選擇合適的髖臼杯，進而減少術中手術時間和出血量，術后沒有發(fā)生關節(jié)再次翻修，關節(jié)功能評分得到了顯著的提高。

Won等利用3D打印技術制作患者髖臼模型，為21例髖關節(jié)嚴重畸形患者制定手術方案并施行了人工全髖關節(jié)置換術，明顯縮短了手術時間、出血量，術后影像學檢查結(jié)果證實假體組件均按計劃精確植入。此外，3D打印技術針對復雜骨折患者，相對于傳統(tǒng)骨折固定方法有著明顯的優(yōu)勢。曾參軍等用3D打印技術在術前制作出骨盆骨折的模型，Mimics軟件虛擬鋼板最佳位置，現(xiàn)實中將鋼板進行預彎，在體外進行模擬手術，術者在術中能得心應手從而能減少手術誤差。臨床上，髖膝關節(jié)翻修術中也會有假體周圍骨折的患者，同樣也需要對骨折進行固定，應用3D打印技術將可大大降低手術的難度，通過術前模擬術中精準固定，相對于傳統(tǒng)手術，不僅可減少手術時間，還可提高鋼板與骨面的敷貼能力，改善患者的預后功能。
3D打印技術的應用前景

隨著3D打印的技術不斷發(fā)展，成本越來越低，打印的速度越來越快，操作越來越簡單，在術前打印3D模型、術前模擬、術中指導、假體移植成為必要。在觀察患處解剖、病理方面，雖然CT和MRI影像學技術是不可替代的，但是建立3D模型，可以為外科醫(yī)生治療提供最佳方案。此外，運用這些影像學技術，可以在模型用不同的顏色表示不同的組織。這樣能使得隱藏在假體下的情況，更加直觀的反映在醫(yī)生的眼前，從而使得手術流程更加的流暢，進而減少手術時間，提高患者預后。在術中，3D打印技術可以打印出導航模板，可以更加精確在髖膝關節(jié)翻修中截取出需要的骨平面，進而利用3D打印技術，打印出所需的個性化假體，假體材料表面孔隙率更加符合要求，讓骨細胞更好的分化、增殖等。

盡管3D打印技術在目前仍存在局限性，但其在未來髖膝關節(jié)翻修發(fā)展中必會起到?jīng)Q定性的作用。目前在生物醫(yī)學領域，3D打印技術已被應用于器官模型的制造與手術分析策劃，個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細胞或組織打印等方面。3D打印技術被廣泛應用于組織工程骨和軟骨研究領域，在關節(jié)外科修復重建領域展示了良好的應用。采用3D打印技術制備的組織工程支架材料不僅具有與缺損組織相匹配的解剖外形，同時也具有滿足細胞黏附、增殖的內(nèi)部多孔結(jié)構。

3D打印是一項振奮人心的技術，給以往困難棘手的問題提供了一項新的解決方法，給髖膝關節(jié)置換翻修手術提供一條全新的道路。

來源：中華關節(jié)外科雜志(電子版)2017年6月第11卷第3期