3D 打印个性化填充假体治疗膝关节周围骨巨细胞瘤早期疗效

Abstract

目的

探讨 3D 打印个性化填充假体治疗膝关节周围骨巨细胞瘤的早期疗效。

方法

回顾分析 2014 年 5 月—2017 年 8 月收治并符合选择标准的 9 例膝关节周围骨巨细胞瘤患者临床资料。男 4 例，女 5 例；年龄 24～50 岁，平均 35.8 岁。肿瘤部位：股骨远端 4 例，胫骨近端 5 例。病程 5～25 个月，平均 12.9 个月。根据 Campanacci 影像学分级系统分级：Ⅰ级 2 例，Ⅱ级 7 例。术前基于 CT 扫描及三维重建，设计并制作 3D 打印个性化填充假体。术中囊内扩大刮除、关节软骨下植骨后植入假体。术后影像学检查肿瘤有无复发，采用 1993 年美国骨肿瘤学会评分系统（MSTS93）评价关节功能。

结果

9 例手术均顺利完成。术后切口均Ⅰ期愈合，无早期并发症发生。患者均获随访，随访时间 24～40 个月，平均 31.2 个月。末次随访时，膝关节局部均无疼痛，无肿瘤复发、病理性骨折、假体松动等并发症发生。MSTS93 评分为 20～29 分，平均 24.7 分；获优 6 例、良 3 例，优良率 100%。

结论

膝关节周围骨巨细胞瘤囊内扩大刮除术后骨缺损采用 3D 打印个性化填充假体修复，具有能与宿主骨生物融合、力学稳定性更高、关节功能恢复良好的优点，可获得较好早期疗效，中远期疗效有待进一步随访。

骨巨细胞瘤是临床常见的介于良、恶性肿瘤之间的交界性肿瘤，常发生于长骨关节周围，尤其是膝关节^[1]。膝关节周围骨巨细胞瘤主要采用手术治疗，包括囊内扩大刮除术、完整切除肿瘤后假体置换^[2-4]。囊内扩大刮除术被认为是治疗 Campanacci Ⅰ、Ⅱ 级骨巨细胞瘤的经典术式，但扩大刮除后会遗留较大骨缺损，大多需采用植骨或骨水泥填充。单纯植骨填充缺乏足够力学稳定性^[5]，术后容易发生软骨面塌陷，进而导致关节退变加速。骨水泥填充虽能提供较强的力学稳定性，但其在硬化过程产生的热量可能损伤软骨，导致软骨下骨折，进而导致关节退变^[6]。此外，骨水泥骨诱导能力差，与周围宿主骨不能生物融合，存在远期松动的风险。为此，骨巨细胞瘤囊内扩大刮除术后骨缺损的修复重建方法仍是研究热点。

近年来，3D 打印技术逐渐应用到医学领域。借助 3D 打印技术设计并定制个性化植入物、假体，用于肿瘤切除后骨缺损的修复重建，使植入物、假体能完美匹配缺损的骨组织，极大地提高了肿瘤性骨关节缺损的修复重建水平，为骨肿瘤患者的个性化治疗提供了新方法^[7-8]。2014 年 5 月—2017 年 8 月，我们对 9 例膝关节周围骨巨细胞瘤患者行囊内扩大刮除联合 3D 打印个性化填充假体重建术治疗，早期疗效优良。报告如下。

1. 临床资料

1.1. 患者选择标准

纳入标准：① 膝关节周围骨巨细胞瘤；② 横截面骨破坏<50%，关节面破坏<50%；③ 接受囊内扩大刮除联合 3D 打印个性化填充假体重建术治疗。排除标准：① 年龄>70 岁，伴严重骨质疏松；② 合并其他严重疾病或全身评估不能耐受手术者；③ 横截面骨破坏>50% 或关节面破坏>50%，需行肿瘤整段切除、关节假体置换术者；④ 不同意使用 3D 打印个性化填充假体者；⑤ 随访资料不完整。

2014 年 5 月—2017 年 8 月共收治膝关节周围骨巨细胞瘤患者 13 例，其中 2 例横截面骨破坏>50%、1 例髁部关节面破坏>50% 行肿瘤整段切除、关节假体置换术，其余 10 例实施囊内扩大刮除联合 3D 打印个性化填充假体重建术。排除 1 例随访资料不完整，最终 9 例符合选择标准纳入研究。

1.2. 一般资料

本组男 4 例，女 5 例；年龄 24～50 岁，平均 35.8 岁。肿瘤部位：股骨远端 4 例，胫骨近端 5 例。病程 5～25 个月，平均 12.9 个月。临床表现均为肿瘤部位疼痛、肿胀，无病理性骨折，无关节活动障碍。X 线片、三维 CT、MRI 以及全身骨核素扫描检查考虑为骨巨细胞瘤，并经病理活检证实。根据 Campanacci 影像学分级系统分级：Ⅰ级 2 例，Ⅱ级 7 例。

1.3. 3D 打印个性化填充假体的制备

本组假体均由上海交通大学医学院附属第九人民医院 3D 打印技术临床转化研发中心及广西数字医学与 3D 打印临床医学研究中心团队进行设计，并由上海晟实医疗器械有限公司制造。首先，采用 64 排螺旋 CT 对病变部位进行扫描，包括患侧膝关节股骨远端及胫骨近端部分；将 CT 扫描数据导入 Mimics V17.0 软件（Materialise 公司，比利时），建立病变部位包括肿瘤在内的干骺端三维模型（图 1a）。根据虚拟切除肿瘤后骨缺损大小、形状，获得个性化填充假体的初步模型（图 1b），假体与骨缺损大小相匹配。术前测量骨缺损体积为 42.0～104.0 cm³，平均 70.74 cm³。将个性化填充假体设计为三维多孔界面结构，以利假体与宿主骨生物融合；设计 3～5 枚螺钉固定假体与宿主皮质骨，以获得初始稳定性。最后采用 3D 打印机（Arcam 公司，瑞典）采用钛合金粉 Ti6AI4V 打印假体（图 1c），高温高压灭菌消毒处理后备用。

图 1.

Preparation of 3D printing personalized prosthesis

3D 打印个性化填充假体的制备

a. 干骺端三维模型；b. 个性化填充假体三维模型；c. 3D 打印个性化填充假体实物

a. 3D model of metaphysis; b. 3D model of personalized prosthesis; c. The personalized prosthesis prepared by 3D printing technique

1.4. 手术方法

蛛网膜下腔阻滞麻醉联合持续硬膜外麻醉下，患者取仰卧位。根据肿瘤部位局部骨皮质破坏严重程度采用外侧（6 例）或内侧（3 例）入路，显露肿瘤病灶后将其彻底刮除，高速磨钻去除肿瘤侵犯的硬化骨至正常骨组织，磨去正常松质骨组织 3～5 mm。大量 H₂O₂、聚维酮碘溶液及生理盐水冲洗 3 次，95% 乙醇灭活瘤壁 5 min。如关节面软骨下骨厚度<5 mm，先行自体髂骨或联合同种异体骨（山西奥瑞生物材料有限公司）植骨后，再植入 3D 打印个性化填充假体。本组病灶刮除后单纯自体髂骨植骨 3 例，自体髂骨联合同种异体骨植骨 6 例。使用 3～5 枚螺钉将填充假体与对侧皮质骨固定，其中使用 3 枚螺钉 3 例、4 枚螺钉 4 例、5 枚螺钉 2 例；均未另行钢板内固定。最后，于填充假体周围空隙植入自体髂骨或同种异体骨。放置引流管，逐层缝合切口。

1.5. 术后处理及疗效评价指标

术后常规静脉滴注抗生素 2 d，口服消炎镇痛药（赛来昔布胶囊）止痛。术后 2～3 d 待引流量<30 mL 后拔除引流管。术后第 1 天患者开始扶拐不负重行走，并行膝关节功能锻炼，2 周后扶拐患侧下肢部分负重，3 个月后去拐完全负重。

术后 1、3、6、12 个月及之后每年随访 1 次。摄患侧膝关节 X 线片，如可疑复发，行 CT 及 MRI 检查进一步评估；每年摄 1 次胸部 CT。采用 1993 年美国骨肿瘤学会评分系统（MSTS93）评价关节功能。

2. 结果

本组 9 例手术均顺利完成，3D 打印个性化填充假体与骨缺损大小及形状基本匹配，无因填充假体不匹配改变手术方式。术后切口均Ⅰ期愈合，无早期并发症发生。患者均获随访，随访时间 24～40 个月，平均 31.2 个月。末次随访时，膝关节局部均无疼痛，无肿瘤复发、病理性骨折、假体松动等并发症发生（图 2）。MSTS93 评分为 20～29 分，平均 24.7 分；获优 6 例、良 3 例，优良率 100%。患者临床资料详见表 1。

图 2.

A 24-year-old female patient with giant cell tumor of bone at right proximal tibia (Campanacci gradingⅡ)

患者，女，24 岁，右侧胫骨近端骨巨细胞瘤（Campanacci Ⅱ级）

a. 术前正侧位 X 线片；b. 术前冠状位 MRI T2 加权像；c. 术后 24 个月正侧位 X 线片；d. 术后 32 个月冠状位 CT

a. Anteroposterior and lateral X-ray films before operation; b. Coronal MRI of T2 weighted sequences before operation; c. Anteroposterior and lateral X-ray films at 24 months after operation; d. Coronal CT at 32 months after operation

表 1.

Clinical data of patients

患者临床资料

病例 Case	年龄（岁） Age (years)	性别 Gender	病程（月） Disease duration (months)	肿瘤部位 Location	骨缺损体积（cm3） Volum of bone defect (cm3)	Campanacci 分级 Campanacci grading	随访时间（月） Follow-up time (months)	MSTS93 评分 MSTS93 score
1	24	女	12	胫骨近端	79.2	Ⅱ	24	28
2	32	女	25	胫骨近端	64.8	Ⅱ	40	24
3	40	男	16	股骨远端	104.0	Ⅱ	34	20
4	36	女	18	股骨远端	81.6	Ⅱ	36	21
5	26	男	5	胫骨近端	71.3	Ⅱ	38	24
6	38	男	10	胫骨近端	71.5	Ⅱ	28	25
7	50	女	8	股骨远端	69.9	Ⅱ	25	23
8	41	男	15	股骨远端	52.4	Ⅰ	24	28
9	35	女	7	胫骨近端	42.0	Ⅰ	32	29

3. 讨论

膝关节为承重关节，膝关节周围骨巨细胞瘤存在肿瘤体积大、病理性骨折发生风险、病变更接近关节面等特点^[1]，因此手术难度大，术后并发症发生率高。对于膝关节周围 Campanacci Ⅰ、Ⅱ级骨巨细胞瘤，囊内扩大刮除术是临床最常用治疗方法，旨在彻底刮除瘤体。扩大刮除后遗留的骨缺损通常采用自体髂骨、同种异体骨^[9]或骨水泥^{[5, 10]}进行填充修复。瘤腔内单纯植骨力学稳定性差，容易导致病理性骨折或关节软骨面塌陷。骨水泥填充能够提供较强力学支撑，而且在凝固过程中释放的大量热量能对瘤腔残余瘤体进一步灭活，在一定程度上降低了肿瘤复发率^[11]；但产生的热量也会损伤关节软骨。此外，骨水泥与宿主骨之间存在间隙，两者间不能生物融合，可导致骨关节炎的发生^[6]。有学者认为囊内扩大刮除术后骨关节炎发生与软骨下残留骨厚度有关，软骨下残留骨厚度<3 mm 即存在软骨下骨破坏，并且病灶越大，风险越高^[12]。严晓波等^[13]对 154 例骨巨细胞瘤采用骨水泥（126 例）或植骨（28 例）重建力学稳定性，随访时间 24～82 个月，骨水泥组复发 14 例（11.1%），植骨组复发 8 例（28.6%）。聂治军等^[14]对 32 例中青年膝关节周围骨巨细胞瘤患者行瘤体囊内扩大刮除术后，采用自体髂骨、同种异体骨或两种骨混合植骨填充修复骨缺损，术后随访 24～30 个月，肿瘤复发率为 12.5%，膝关节功能 MSTS 评分获优 21 例、良 8 例、中 3 例，优良率为 90.6%。

为了克服骨水泥无骨长入、不能与宿主骨生物融合的缺点，有学者提出采用 3D 打印个性化填充假体来代替骨水泥，避免骨水泥硬化过程中热损伤关节软骨的风险，而且填充假体与宿主骨能生物融合，减少病理性骨折及退行性骨关节炎发生风险，从而保存天然的膝关节^[15]。本组采用同样方法治疗 9 例膝关节周围骨巨细胞瘤，早期随访无复发病例，膝关节功能 MSTS93 评分优良率达 100%，中远期疗效有待进一步随访。我们认为相对植骨及骨水泥填充，3D 打印个性化填充假体具有以下优点：① 可以根据肿瘤扩大刮除后遗留缺损的大小、形状个性化制作假体，根据宿主骨情况设计固定螺钉，获得更好的初始力学稳定性；② 填充假体内部设计为多孔界面结构，利于假体与宿主骨的生物融合，避免假体松动；③ 填充假体既有骨水泥的力学稳定性，又可以与周围宿主骨生物融合。

术前设计时需注意假体形状、大小应与骨缺损匹配，如假体太大，术中植入困难，需要切除更多正常骨组织，进一步扩大软骨缺损，增加术后病理性骨折风险；如太小则需要更多植骨，达不到获得初始力学稳定性的目的。对于 3D 打印个性化填充假体的内部结构，我们将其设计为类似天然骨组织内部三维孔隙的多孔界面结构。该结构有利于促进骨小梁长入，从而增强假体稳定性，避免假体松动^[16]。另外，假体植入后需要 3～5 枚螺钉固定，以获得初始力学稳定性、利于骨长入。对于是否需要辅助钢板内固定，我们认为主要根据肿瘤切除后骨皮质破坏程度确定，如果横截面骨皮质破坏<50%、病理性骨折风险相对较低，可以不辅助钢板内固定；如果横截面骨皮质破坏>50%、病理性骨折风险相对较高，则需要辅助钢板内固定。本组患者横截面骨皮质破坏均<50%，故未联合钢板内固定，仅使用 3～5 枚螺钉固定。瘤体刮除后可采用各种辅助手段，如高速磨钻、无水乙醇、H₂O₂ 等处理，以降低局部复发率^{[5, 14, 17]}。本组常规采用高速磨钻去除残留的硬化骨，对骨面进行打磨，打磨时产生的高温可以杀灭肿瘤细胞，同时联合 H₂O₂、聚维酮碘溶液冲洗以及 95% 乙醇灭活瘤壁，达到降低局部复发风险的目的。

综上述，膝关节周围骨巨细胞瘤囊内扩大刮除术后骨缺损选择 3D 打印个性化填充假体重建，能获得满意的早期力学稳定性，早期疗效满意。本研究局限性：① 随访时间较短，需更长时间随访观察肿瘤复发以及假体生存结果；② 相对于植骨及骨水泥，3D 打印个性化填充假体费用较高；③ 样本量少、缺少随机对照，需更大样本量的对比研究进一步证实该技术的优点。

作者贡献：甘锋平、罗翔负责科研设计、数据收集整理及统计分析、文章撰写、手术操作等；陈国平、谢兆林、江建中参与手术操作、病例收集及数据整理、统计分析等；杨克勤参与数据整理、统计分析；谭海涛负责研究设计、手术操作、文章审核。

利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。课题经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道。

机构伦理问题：研究方案经贵港市人民医院医学伦理委员会批准（GYLL-201404）。

Funding Statement

广西科技计划项目（AD17129017）；贵港市科学研究与技术开发计划项目（贵科攻 1908044 社自）