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. 2019 Jun;33(6):774–777. [Article in Chinese] doi: 10.7507/1002-1892.201901022

3D 打印金属假体在关节外科的临床应用

Clinical application of three-dimensional printed metal prosthesis in joint surgery

Yutao CUI 1, Zuhao LI 1, Qian WAN 1,2, Xianggang WANG 1,2, Shengyang LI 1, Zhenxiao REN 1,2, Zhonghan WANG 1, Fan YANG 1, He LIU 1,*, Dankai WU 1,*
PMCID: PMC8355776  PMID: 31198009

Abstract

Objective

To summarize the application progress of three-dimensional (3D) printed metal prosthesis in joint surgery.

Methods

The related literature was extensively reviewed. The effectiveness of 3D printed metal prosthesis in treatment of joint surgery diseases were discussed and summarized, including the all key issues in prosthesis transplantation such as prosthesis stability, postoperative complications, bone ingrowth, etc.

Results

3D printed metal prosthesis has good matching degree, can accurately reconstruct and restore joint function, reduce operation time, and achieve high patient satisfaction in short- and medium-term follow-up. Its application in joint surgery has made good progress.

Conclusion

The personalized microporous structure prostheses of different shapes produced by 3D printing can solve the problem of poor personalized matching of joints for special patients existing in traditional prostheses. Therefore, 3D printing technology is full of hope and will bring great potential to the reform of orthopedic practice in the future.

Keywords: Three-dimensional printing, joint surgery, prosthesis design, clinical application

关节外科手术中采用关节假体重建关节功能时，假体的相关特性对手术效果有很大影响[1]。虽然传统假体已广泛应用并取得了良好的临床效果，但仍存在一些问题：① 形状不匹配：传统内植物的形状与大块骨缺损不匹配[2-3]。② 结合强度和初始稳定性：内植物-骨界面强度不够，尤其是关节假体与骨髓腔不匹配。内植物-骨间接触点可产生应力遮挡，导致骨萎缩和松动[4]。③ 骨长入：骨长入不理想会导致假体松动和下沉，造成疼痛甚至翻修。针对传统假体存在的不足，3D 打印技术提供了一个很好的解决途径。

目前，3D 打印技术已用于医药、汽车和航空航天工业、建筑等领域[5-6]。在医学方面，3D 打印技术在骨科具有最大的潜在市场份额。一些标准化 3D 打印金属植入物产品已通过美国食品药品监督管理局（FDA）批准，如内镜腰椎椎间融合器（EndoLIF® On-Cage）、钛腰椎后路椎间融合器（Tritanium® PL Posterior Lumbar Cage）、骶髂关节融合器（iFuse ImplantTM）等。国内北京爱康宜诚医疗器材公司的 3D 打印髋臼、颈椎椎间融合器也获得了中国国家食品药品监督管理总局（CFDA）认证。

3D 打印技术具有以下优点：① 3D 打印技术可将植入物制成任何形状，精确匹配复杂骨缺损[5]。② 3D 打印假体表面的微孔增加了接触面积，增强了内植物-骨界面的结合强度和初始稳定性，减少了内植物-骨界面的微运动[7-9]。③ 3D 打印假体的孔隙结构有利于软组织附着，具有更好的生物力学稳定性，并且能促进成骨细胞的黏附和增殖，维持细胞形态，达到更好的骨长入和长期稳定性[10-11]。④ 相对于传统定制假体，3D 打印个性化假体制造周期缩短，约 1 周[2]。因此，对于一些特殊患者，如严重髋关节发育不良、关节及髓腔畸形以及存在严重骨缺损的翻修手术，与传统假体相比，3D 打印假体在精确匹配性和稳定性方面具有不可替代的优势。现对 3D 打印金属假体在关节外科的临床应用进展综述如下。

1. 肩关节

3D 打印全肩关节假体尚无报道，但肩关节周围部位，如肩关节盂、锁骨和肩胛骨的 3D 打印假体已有 2 年以上随访资料，结果显示效果满意。3D 打印肩关节盂假体用于治疗全肩关节置换术后关节严重骨缺损，其多孔结构能很好地填充骨缺损，组件的附加螺纹孔允许转换成反向结构，在平均 2.5 年随访中取得了良好的功能评分[12]。3D 打印金属假体也被用于锁骨和肩胛骨尤文肉瘤切除后的精确重建，假体的多孔结构可降低其弹性模量，并有利于新骨的长入，维持假体的稳定性。随后 3 年的随访结果证实了 3D 打印金属假体的安全性和有效性，并且肌肉骨骼肿瘤协会（MSTS）评分显示锁骨和肩胛骨肿瘤患者的疗效优良率分别为 93% 和 73%，无手术并发症发生[13]。

2. 腕关节

对于桡骨远端和腕部巨大肿瘤或严重外伤所致的复杂骨缺损，目前临床主要采用自体腓骨移植进行腕关节融合术或腕关节置换术[14]，存在腓骨畸形等问题，术后并发症也不容忽视[15]。传统定制腕关节假体术后并发症发生率较高、定制成本较高、等待时间长，不是最佳的手术方式[16]。3D 打印允许个性化设计和制造金属假体，不仅避免了自体腓骨移植存在的弊端，而且能精确修复重建因骨肿瘤切除或严重外伤等造成的较大骨缺损。

我们科室设计并打印了腕关节假体，治疗 3 例肿瘤切除后及严重外伤引起的复杂骨缺损[17]。① 在 1 例桡骨骨巨细胞瘤切除后的重建中，3D 打印金属假体有明显优势。硬化涂层可将假体设计为光滑表面，保证肌腱的平滑运动，防止损伤，并且在制作过程中将原有肌间沟位置的隆起压低，保证了腕关节与正常腕骨的摩擦运动。采用常规手术方法以 3D 打印假体重建腕关节，获得较好疗效。在术后 6 个月随访中，假体稳定性良好，患者满意度较高，腕部活动度部分恢复；术后 6 个月和 12 个月 Cooney 评分分别达 80 分和 85 分，Gartland & Werley 评分分别下降至 6 分和 5 分。② 除了关节面涂层，组合假体的设计也有着良好疗效。组合假体的关节面采用钴铬钼合金制造，再和非关节面部分进行搭配；柄和桡骨远端下段部分采用 Ti6Al4V 进行打印，除柄以外进行网格状设计，降低质量的同时也直接提供了缝合孔的位置。该假体很好地重建了患者腕关节的解剖结构，恢复了部分功能。术后 6 个月该例患者由术前刺刀样手、疼痛活动受限，恢复至可完成对掌动作、自主使用手机、书写等。术后 6 个月和 9 个月时，Cooney 评分从术前 20 分分别提高到 40 分和 50 分，Gartland & Werley 评分从术前 27 分分别降低至 14 分和 13 分。③ 在严重骨折所造成的复杂腕关节骨缺损中，3D 打印金属假体也有成功应用。在 1 例高能量创伤造成的严重骨缺损并继发骨髓炎患者治疗中，3D 打印定制化全腕关节假体满足了重新建立解剖结构、恢复部分功能的要求。该假体根据患者自身解剖结构进行设计，将远端关节面抛光后进行耐磨涂层，远端假体柄根据上述患侧髓腔的直径和形状确定，而远端涂层下面部分采用对侧仿生结构，除关节面所在位置，其余部位喷砂处理成不光滑面。术后 6 个月患者由术前垂腕状态恢复至可自主使用手机。术后 6 个月和 12 个月 Cooney 评分从术前 30 分分别提高到 60 分和 65 分，Gartland & Werley 评分从术前 28 分分别降低至 11 分和 6 分。

3. 髋关节

内植物-骨界面的骨长入极大地影响着全髋关节置换术后髋臼杯的长期稳定性[18]。目前许多表面处理技术被应用到传统的臼杯假体上，微孔结构的臼杯由于具有与正常松质骨类似的孔隙直径、孔隙率和弹性模量，取得了良好的骨长入和长期稳定性[19-20]。然而，假体主体与涂层之间的机械力较弱，表面涂层有脱落的可能性。3D 打印钛臼杯的微孔结构具有良好的把持力，可促进骨的生长和提供长期稳定性[21]。

近年来，髋关节翻修术有了很大发展，其中许多翻修患者伴有复杂的髋臼缺损，甚至出现骨盆不连续。因此，3D 打印髋臼笼在翻修手术中的应用获得了巨大关注。2016 年 Li 等[22]报道了 24 例应用 3D 打印个性化髋臼假体治疗 Paprosky ⅢB 型严重髋臼骨缺损的患者，术后平均 67 个月随访表明疗效显著，髋关节中心恢复，髋关节 Harris 评分由术前平均 36 分提高到平均 82 分，手术并发症发生率降低，未见假体松动及移位。Li 等[23]也报道了应用 3D 打印髋臼假体修复复杂髋臼骨缺损，术后平均 4.4 年随访结果表明，25 例患者假体无机械故障或松动，术后功能恢复良好，满意度较高。上述研究表明 3D 打印技术处理复杂髋臼骨缺损是有益的临床补充。另一项涉及 26 例（28 髋）的研究也显示，3D 打印髋臼假体对于修复复杂骨缺损是十分有利的[24]。此外，Wong 等[25]采用 3D 打印技术制作了孔隙率和孔隙直径分别为 70% 和 720 μm 的个性化带髋臼杯的钛合金骨盆假体，用于重建骨盆软骨肉瘤切除后引起的复杂缺损。本设计可促进骨长入，获得稳定生物固定，并有一个与正常骨类似的弹性模量；康复后患者可独立行走，髋关节功能恢复良好。

我们认为对于传统髋臼假体无法修复的骨丢失或骨盆不连续，采用 3D 打印个性化假体重建是行之有效的方法，不仅可以解决严重骨缺损难题，而且早中期随访也证明可获得可靠的临床疗效。

4. 膝关节

随着假体制造技术的不断提高，传统的人工膝关节假体取得了满意效果，但关节畸形和严重骨丢失限制了传统假体的使用[26]。3D 打印膝关节假体已被应用于股骨远端和胫骨近端肿瘤及全膝关节置换术后感染所致的严重膝关节骨缺损重建[27]。

对于胫骨平台骨巨细胞瘤患者，传统的铰链膝关节假体存在一些问题，如活动度差，应力集中，易发生假体断裂、松动、下沉等。如果使用表面假体进行置换，则无法处理病灶刮除后出现的大块骨缺损，瘤段切除后再进行常规表面膝关节置换，关节稳定性也不佳。基于上述考虑，Luo 等[28]设计了一种 3D 打印膝关节垫块，用于肿瘤切除后的半限制性膝关节置换。这一带有微孔的 3D 打印垫块，一方面可完美匹配切除部位的骨缺损，维持了周围软组织及韧带的张力；另一方面，垫块的微孔表面为骨-假体界面的骨长入和韧带附着提供了环境基础。垫块在很大程度上维持了膝关节的稳定性，为应用半限制性假体重建膝关节创造了可能性。同时，带微孔的 3D 打印垫块复合半限制性膝关节假体的力学传导更符合生理状态，这又对增强假体稳定性、减少松动的发生具有积极意义。Luo 等将该垫块应用于 4 例胫骨近端骨巨细胞瘤患者的膝关节重建，术中垫块均完美填充于缺损局部。术后平均 7 个月随访显示，患者关节功能恢复良好，膝关节活动度满意，内外侧应力试验结果良好，膝关节假体稳定，未发生假体松动、断裂等情况；MSTS 评分由术前平均 13 分增加到术后 7 个月平均 19 分。上述研究结果提示，通过 3D 打印制作个性化假体可以解决胫骨近端肿瘤切除后软组织平衡问题。

人工关节置换术后感染遗留的骨缺损大且不规则，翻修手术预后较差。Yin 等[29]在进行翻修手术时使用独特形状和高孔隙率的 3D 打印膝关节假体，胫骨和股骨多孔结构给宿主骨提供了微锚定并诱导骨长入，其力学强度（35.8 MPa）与松质骨相似，低弹性模量（0.74 GPa）降低了应力遮挡的危险性；术后 6 个月随访显示获得了较好的膝关节功能。

5. 踝关节

目前，有关 3D 打印踝关节假体的报道较少。Imanishi 等[30]应用 3D 打印钛合金跟骨假体修复跟骨软骨肉瘤切除后的骨缺损，术后 5 个月患者完全负重，踝关节活动时无疼痛，与健侧踝关节具有几乎相同的背屈和跖屈功能。最近，我们设计并 3D 打印距骨假体治疗 1 例距骨坏死男性患者。以钴铬钼合金为主要材料，打印了 4 种不同尺寸的距骨假体，术中根据具体解剖情况选择最合适尺寸的假体。植入的假体与周围骨组织完全吻合，术后恢复情况有待随访观察。

6. 小结与展望

3D 打印个性化关节假体能够精确重建骨缺损，多孔结构可降低弹性模量、增加初始稳定性和诱导长期骨长入，并取得了较好的早中期随访效果。但其存在的问题也不容忽视，例如 3D 打印假体的机械强度不确定、医生与工程师合作不深入、缺乏规范框架和长期随访等问题亟待解决。在未来 3D 打印关节假体的发展中，打印工艺的精细化和新型材料的研发将成为重点，针对不同疾病制造个性化假体，例如对骨质疏松患者可定制更利于骨长入的假体、为感染后翻修患者使用具有抗菌性能的材料打印假体等。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（81171681、81772456、81671804）

National Natural Science Foundation of China (81171681, 81772456, 81671804)

Contributor Information

贺 刘 (He LIU), Email: heliu@ciac.ac.cn.

丹凯 吴 (Dankai WU), Email: wudankai@163.com.

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