3D打印技术在肢体骨肿瘤切除重建中的应用

Abstract

With the developing of three-dimensional (3D) printing technology, it is widely used in the treatment of bone tumors in the clinical orthopedics. Because of the great individual differences in the location of bone tumor, resection and reconstruction are difficult. Based on 3D printing technology, the 3D models can be prepared to show the anatomical part of the disease, so that the surgeons can create a patient-specific operational plans based on better understand the local conditions. At the same time, preoperative simulation can also be carried out for complex operations and patient-specific prostheses can be further designed and prepared according to the location and size of tumor, which may have more advantages in adaptability. In this paper, the domestic and international research progress of 3D printing technology in the treatment of limb bone tumors in recent years were reviewed and summarized.

目前，3D打印技术在医疗领域尤其是骨科领域得到广泛应用^[1]。骨肿瘤患者疾病情况个体差异大，关节周围、脊柱、骨盆等部位手术难度大，切除边界不足可导致肿瘤复发率高，而过多切除会造成重建困难，患者功能恢复差。基于CT和MRI的3D打印技术可以精确显示局部解剖结构，医生能在此基础上进行合理而精确的术前计划，必要时可在3D打印模型上进行模拟手术^[2-3]，尤其是解剖结构复杂区域，能有效减少手术时间、透视频率、降低感染率和植入物错位或脱位风险等^[4-7]。此外，骨肿瘤切除后需要修复重建骨缺损。目前的定制假体大多不适用于可保留关节的干骺端肿瘤切除后或髋臼周围肿瘤切除后重建，通过3D打印技术则能制备个性化假体，避免了尺寸不匹配带来的一系列问题。

目前，3D打印技术在骨肿瘤领域的应用主要包括：① 通过计算机重建肿瘤与其周围解剖结构的关系，甚至可以清晰显示神经和血管位置；② 3D打印模型可以清晰模拟人体标志点，术前在模型上演练手术操作，利于术者术中准确切除肿瘤组织；③ 3D打印个性化截骨导板指导术中准确截骨；④ 制备3D 打印个性化假体，更好地满足不同部位肿瘤切除后的重建需求。现对3D打印技术在肢体骨肿瘤手术中的应用作一综述。

1. 3D打印技术在肢体及髋臼周围骨肿瘤手术中的应用

1.1. 髋臼周围骨肿瘤

髋臼周围骨肿瘤因涉及的解剖结构复杂，手术治疗具有挑战性。既往术中需要通过阅读CT及MRI等二维图像了解肿瘤局部情况，并基于此进行术前计划，由于缺乏三维结构展示，一定程度上影响了术前计划准确性。而3D打印技术能基于CT和MRI数据制备三维模型，术者通过该模型能准确了解肿瘤范围及累及解剖结构，并在此基础上设计手术入路，需要截骨时还可以设计截骨水平和角度，在保证截骨面肿瘤学安全前提下，减少不必要的骨损失，为后期重建固定奠定良好基础^[8]。同时，由于肿瘤位置、大小不同，需要不同形状、尺寸的假体重建。而3D打印假体可进行个性化设计，术前还能在3D打印模型上进行重建手术演练，保证假体术中使用时与缺损完全匹配^[9]（图1）。

图 1.

Application of 3D printing technology in periacetabular bone tumors

3D打印技术在髋臼周围骨肿瘤中的应用

a～c. 术前X线片、MRI及CT示髋臼肿瘤；d. 术前观测切除范围；e. 用于术前演练的3D打印模型及假体；f. 术后X线片示3D打印假体位置

a-c. Preoperative X-ray film, MRI, and CT showed acetabular tumor;   d. Preoperative resection design;   e. The 3D printed model and prosthesis;   f. Postoperative X-ray film showed the 3D printed prosthesis

髋臼周围骨肿瘤切除后遗留缺损修复重建方法多样，如单纯髋关节融合、马鞍形假体、同种异体骨或自体骨灭活再植等^[10]，近年已有3D打印金属假体应用的报道，但主要为个案报道或者小宗病例报道^[11-12]。Liang等^[13]报道采用3D打印组配式假体重建髋臼肿瘤切除后骨缺损，术后早期随访结果显示其重建骨缺损安全性高，不增加额外并发症，可获得良好功能状态，美国肌肉骨骼肿瘤学会（MSTS）评分为22.7分，但是缺乏长期随访结果。Xu等^[14]报道在股骨截骨旋转上移髋关节融合术重建髋臼缺损前，使用3D打印模型演练手术，包括肿瘤切除、股骨侧“Z”字形截骨并旋转上移与残留髂骨进行融合，保证了术中精准切除肿瘤与截骨。患者髋关节融合后丧失活动度，但由于生物重建的优势，平均4年随访结果显示患者功能较好，平均MSTS评分为21分。

对于一些累及髋臼部分结构的良性骨肿瘤患者，肿瘤彻底切除后部分正常髋臼结构可保留，此时则可能进行髋臼重建，尽可能保留患者髋关节功能。Wong等^[15]报道了一组累及髋臼前柱的骨巨细胞瘤患者，其部分髋臼顶及髋臼后柱未受累。术前通过软件绘制了肿瘤范围、设计切除范围，同时模拟手术切除，提示肿瘤切除达要求边界后仍可保留髋臼顶及髋臼后柱；在此基础上进一步设计了手术切除和重建方式，制备了相应的截骨导板和个性化假体；术后病理检查显示肿瘤切除彻底，与术前设计相比肿瘤切除范围和假体安装误差不超过 4 mm；患者获随访11个月，功能恢复较好，肿瘤无复发且假体无松动。杨勇昆等^[16]报道了3例髋臼骨巨细胞瘤患者，术前应用3D打印技术制备三维模型，并在模型上进行手术演练，术中结合导航技术精确切除病灶并保留足够髋臼结构，利用切除的股骨头重建了缺损髋臼，顺利完成人工全髋关节置换术。患者术后功能恢复较好，接近因髋关节退变行人工全髋关节置换术的患者。此类手术充分体现了3D打印技术在髋臼周围骨肿瘤手术中的应用优势，具有较大应用价值，能最大程度保留患者功能。

1.2. 膝关节周围骨肿瘤

膝关节周围恶性骨肿瘤好发于干骺端，肿瘤边界距离膝关节面较近，往往难以保留膝关节。传统手术方式为瘤段截除人工关节置换术。术前设计、术中精确截骨是手术成功关键。术中使用导航系统有助于精准切除病灶组织，极大地提高了手术准确性和安全性，减少了神经血管并发症，但也存在成本高、延长手术时间、增加辐射照射、手术程序繁琐和学习曲线较长等不足，限制了其广泛应用。采用3D打印技术可以根据需要设计合适的截骨导板。Ma等^[17]设计的股骨远端截骨导板具有较好机械强度，能维持较精确的截骨方向，保证手术切除准确性。同时，由于截骨导板辅助，术中无需进行导航扫描及定位等操作，可缩短手术时间，减少了出血和切口并发症的发生。纪玉清等^[18]比较了股骨远端肿瘤患者使用3D打印截骨导板和常规方法截骨的临床效果，结果显示3D打印截骨导板组患者下肢力线、关节活动度、功能评分与常规手术无明显差异，但术后术侧肢体长度与健侧差异更小，手术时间及出血量更少。

对于部分肿瘤距离膝关节相对较远的患者，在进行精确安全截骨前提下仍可保留关节，如选择传统人工关节置换术则损失了患者自身关节。随着3D打印技术的发展，这部分患者保留关节的重建手术已逐步实现。Wang等^[19]报道了利用3D打印的超短柄假体重建干骺端肿瘤切除后骨缺损，术后早期结果显示患者功能良好，残余骨质与假体柄固定可靠。张清等^[20]采用保留膝关节的组配式假体治疗股骨远端和胫骨近端干骺端肿瘤，患者术后获得较好关节功能。目前，此类保留膝关节的假体可进行3D打印，根据可保留的关节下骨厚度设计螺钉数目和角度，且假体骨接触面具有多孔结构，有利于促进骨长入，增加了假体稳定性。

1.3. 足踝部骨肿瘤

与膝关节周围骨肿瘤类似，足踝部骨肿瘤切除亦可应用3D打印技术进行术前设计。由于足踝部骨性结构为不规则小骨，骨肿瘤切除时往往需要切除整块骨，遗留的骨缺损需要形状适配的整块植入物修复重建。其中，跖骨、足舟骨及楔骨等部位缺损可采用髂骨等大块自体骨，而距骨、跟骨切除后重建较为困难。既往常采用踝关节融合或难以重建时行截肢手术。近年，有报道采用3D打印的距骨或者跟骨进行相应部位骨缺损修复重建。例如，Yang等^[21]报道应用3D打印距骨修复重建距骨骨巨细胞瘤切除后缺损，术后跟骨与打印距骨融合良好，获得较好功能。Fang等^[22]采用3D打印距骨假体修复重建距骨间叶源性恶性肿瘤切除后缺损，术后随访6个月患者功能好，活动度满意且无明显疼痛。但此类报道病例数量少，至今不到10例，且随访时间短，因此需要进一步随访明确远期功能。此外，3D打印技术在跟骨也有相应应用，但报道更少见^[23]（图2）。另外，由于该部位局部软组织条件相对差，假体植入后易出现切口并发症，也一定程度限制了3D打印假体的应用。

图 2.

Application of 3D printing technology in calcaneal tumors

3D打印技术在跟骨肿瘤中的应用

a～c. 术前X线片、MRI和CT示跟骨肿瘤；d. 术前3D打印假体；e. 3D打印假体植入后X线片；f. 术后6个月切口外观

a-c. Preoperative X-ray film, MRI, and CT showed calcaneal tumors;   d. Preoperative 3D printed prosthesis;   e. X-ray film after 3D printed prosthesis implantation;   f. The incision at 6 months after operation

1.4. 上肢骨肿瘤

3D打印技术在上肢骨肿瘤手术的应用不如在骨盆或下肢广泛，但近年也逐渐有相关报道。肩胛骨是重要的上肢带骨，对于上肢活动有重要作用。肩胛骨切除对肩关节功能影响极大。郝永强等^[24]报道恶性肩胛骨肿瘤切除后采用3D打印肩胛骨修复重建，初步结果较好。Park等^[25]报道肩胛骨软骨肉瘤行部分肩胛骨切除后，采用3D打印技术制备的部分肩胛骨假体修复重建，术后患者功能较好。Liu等^[26]的个案报道也显示了3D打印全肩胛骨假体重建的初步疗效良好，该假体通过多孔设计促进骨长入及肩胛骨上肌肉附着。上述结果虽然显示了3D打印假体在肩胛骨重建的应用前景，但目前仅有个案报道，其应用有待进一步探索。目前也有采用3D打印假体修复重建桡骨远端骨肿瘤切除后缺损的报道^[27]。Lu等^[28]报道采用3D打印假体修复重建桡骨远端骨巨细胞瘤切除后缺损，肿瘤学结果和功能学结果均较满意。但随访时间仅14月余，缺少远期随访结果，腕关节在远期是否能保留较好活动度，并维持关节对位、不发生脱位，还需要长期随访。此外，在肱骨、肘关节周围、尺桡骨均有3D打印技术应用的个案报道，但病例数少，其应用前景仍有待进一步探索^{[27, 29-30]}。

2. 3D打印材料发展

钛合金是较合适的骨缺损修复材料，是目前使用最普遍的3D打印材料。钛具有与不锈钢相似的机械性能、抗腐蚀性、低密度（比不锈钢低50%）和低弹性模量，并且生物相容性高，利于骨组织长入^[31-34]。研究表明，钛的孔隙率是影响骨长入的关键因素之一，300～600 µm是较理想孔隙^[35]。Wang等^[36]对钛合金打印支架的孔隙大小和孔隙率进行研究，结果显示孔径500 µm、孔隙率70%的材料弹性模量接近正常骨，植入人体后可避免应力遮挡。最近发展的钛小梁主要优点是增加了与宿主骨的接触面积，促进骨长入。钽金属与钛金属理化特性相似，生物相容性好，也是目前研究较多的3D打印材料，并初步应用于临床^[37]。其他一些仿生材料目前也处于研究阶段，动物体内研究也证实了其良好的骨愈合能力，但用于人体还需要进一步研究^[38]。上述3D打印材料均缺少大宗临床应用长期随访报道。

3. 3D打印技术问题及展望

3D打印技术在骨肿瘤手术中的应用前景广阔，尤其对于局部解剖复杂、需要充分术前计划的患者，以及传统方法难以修复重建的患者。然而，3D打印技术也存在以下问题。

首先，3D打印模型及假体制作需要一定时间。目前，3D打印模型制作通常需要3 d左右，打印用于重建的假体则需要更长时间，因此使用仅限于择期手术。如手术中出现意外情况，导致制备假体不匹配时，尚无法即刻重新打印假体，可能导致手术失败。因此，如何缩短3D打印周期是需要解决的重要问题。

其次，相关人才储备较少。3D打印前需要使用计算机软件制作三维模型。这就要求骨肿瘤医生熟悉掌握相关软件，这在普及上较为困难。尽管目前有专业3D打印工程师可以帮助医生进行软件设计，但工程师缺乏医学及解剖知识，设计时无法综合考虑术中情况。因此，培养既懂得医学又掌握3D打印技术的复合型人才是发展方向。

第三，3D打印材料已从塑料发展到金属粉末。目前主要采用钛或钽金属等制作假体。但金属假体生物相容性仍不完美，尽管3D打印可设计不同孔隙率以增加骨长入，但骨长入效果不够理想，而且由于金属与骨本身机械性能存在差异，又增加了假体应力屏蔽，导致假体失效甚至假体周围骨折的发生。

第四，目前文献报道的3D打印多为小宗报道，证据级别较低，未来需要开展大样本临床试验，在规范方案下研究明确3D打印假体安全性和有效性。

第五， 3D打印仿生材料将是未来一个主要研究方向，最理想的3D打印是利用自体细胞打印骨器官。高质量3D打印材料是目前研究目标，该材料应该具有良好生物相容性和与骨类似的机械性能，耐腐蚀，耐降解，有助于恢复骨骼解剖结构和生物力学功能，重建后使患者获得一个接近于正常的骨结构及功能。聚醚醚酮是近来研究较多的材料，已被用于颈椎手术植骨^[39]，未来需要研究其在3D打印假体方面的应用^[26]。

4. 总结

3D打印技术的发展为骨肿瘤手术开辟了新领域。对于局部解剖复杂部位的骨肿瘤手术，3D打印技术在术前设计、术中精准切除和制备个性化假体修复重建方面均体现了一定优势，并得到相关临床研究的支持，早期随访结果满意，但缺乏长期随访结果的支持。此外，有待研究具有良好生物相容性和接近于天然骨机械性能的3D打印材料假体，进一步提升该技术在骨肿瘤领域的应用效果。

利益冲突　在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突

作者贡献声明　牛晓辉：综述构思、设计以及观点形成；徐海荣：文献与资料收集；金韬：文章撰写

Biography

牛晓辉，主任医师，教授，博士生导师，北京积水潭医院骨肿瘤科主任。中国临床肿瘤学会（CSCO）肉瘤专家委员会主任委员，中国抗癌协会（CACA）肉瘤专业委员会前任主任委员，国际保肢协会（ISOLS）常务理事（board member），亚太骨与软组织肿瘤学会（APMSTS）常务理事。任《中国骨与关节杂志》副总编辑以及《中华外科杂志》、《中华骨科杂志》、《山东医药》等10余家期刊编委。主持制定我国《CSCO经典型骨肉瘤诊疗指南》、《CSCO软组织肉瘤诊疗指南》、《CSCO骨巨细胞瘤诊疗指南》。主编《骨肿瘤标准化手术》、《软组织肿瘤标准化手术》、《骨科专家病例解析丛书——骨肿瘤》、《积水潭骨与软组织肿瘤病例精粹：多学科综合讨论》等10余部著作