3D打印鈦合金骨小梁金屬臼杯聯合植骨重建髖臼骨缺損的早期療效

郭宇，王凌，丁育健，劉儀，馮德宏，2*，楊惠林

(1.南京醫科大學附屬無錫人民醫院骨科，江蘇 無錫 214023；2.無錫市轉化醫學研究所，江蘇 無錫 214023；3.蘇州大學附屬第一醫院骨科，江蘇 蘇州 215006)

髖臼側骨缺損是髖關節翻修術最具挑戰性的難題，在髖臼殘存骨的基礎上重建骨缺損，恢復髖關節旋轉中心，獲得翻修假體的初始穩定固定，并確保足夠的活性骨接觸面積是翻修成功的關鍵[1]。目前臨床上處理髖臼骨缺損的方法主要包括金屬墊塊、Jumbo臼杯、結構骨移植、加強環、定制髖臼假體、cup-cage技術等，手術方式眾多也間接說明了髖臼翻修存在巨大的難度與挑戰[2]。3D打印是一種將數據立體化建模，運用粉末塑料或金屬等可黏合材料，通過逐層融合疊加的方式來制造實物的技術[3]。我科采用3D打印技術，將髖關節CT影像轉化為實體模型，根據髖臼骨缺損情況，使用電子束熔融制作個性化TTM臼杯假體，結合植骨技術，對髖臼側骨缺損進行全髖翻修，現總結報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究獲得我院倫理委員會批準?；仡櫺苑治?017年2月至2018年8月在南京醫科大學附屬無錫人民醫院骨科采用3D打印鈦合金骨小梁金屬(titanium trabecular metal，TTM)臼杯結合植骨進行全髖翻修術8例(8髖)，男3例，女5例；年齡64～87歲，平均年齡(78.1±7.0)歲。初次置換的原因：髖關節發育不良繼發骨關節炎2例，股骨頸骨折4例，原發性髖骨關節炎2例。翻修原因：無菌性松動6例，假體周圍感染2例。髖臼骨缺損按Paprosky分型，ⅡB型2例，ⅡC型1例，ⅢA型3例，ⅢB型2例。2例感染患者均采用二期翻修，翻修距初次病灶清理、抗生素骨水泥間置器植入分別為3、4個月，二期翻修前連續2次每月復查C反應蛋白、紅細胞沉降率均正常。

1.2 定制髖臼假體設計 常規行骨盆CT檢查，層厚為0.625 mm，輸入Mimics軟件建立3D數字模型。結合對側正常髖臼數據，采用健側對照同心圓法[4]或Ranawat三角法[5]確定患側定制髖臼假體旋轉中心位置。根據骨缺損的大小、形態及位置利用Geomagic軟件設計帶釘孔固定翼或加強墊塊的一體式臼杯假體模型，確保假體與宿主骨的直接接觸和穩定支撐，設計假體上螺釘孔數量、位置和方向等。數據導入光固化3D打印機制造出患者骨盆、髖臼假體等比例樹脂模型，體外模擬手術驗證無誤后，使用Arcam Q10金屬打印機打印出個性化TTM髖臼假體。

1.3 手術方法 手術均由同一組醫師完成?；颊呷砺樽?，側臥位，后外側入路顯露髖關節，取出原假體，清除髖臼周圍瘢痕組織，注意保留骨量，顯露髖臼形態，檢查確認髖臼骨性形態與骨盆模型基本一致。髖臼銼對髖臼進行銼磨塑形至骨面滲血，參照模型在預期位置安放假體，在假體和宿主骨之間的空隙進行同種異體骨結構植骨或顆粒骨打壓植骨，盡量填實。采用顆粒骨打壓植骨技術時，將骨塊制備成0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm大小的顆粒，使用髖臼打壓植骨器充分打壓植骨；采用結構性植骨技術時，則將骨塊制備成與缺損區域匹配的形狀。植骨及假體安置完成后，擰入多枚預制的定向螺釘，確保假體及植骨塊獲得牢固的初始穩定。用骨水泥以外展角(40±10)°、前傾角(15±5)°固定高交聯聚乙烯內襯。股骨假體松動，則進行翻修。復位髖關節，檢查穩定性，沖洗創面，留置引流管，關閉切口。

1.4 術后處理 術后常規低分子肝素抗凝，抗生素預防感染48 h。48 h內拔除引流管。麻醉清醒后行踝關節主動屈伸運動，術后1 d開始屈髖、髖外展及直腿抬高鍛練，1～2周助行器部分負重活動，10～12周完全負重行走。

1.5 隨訪及評估 術后1、3、6、12個月及之后每年隨訪一次。采用Harris髖關節評分評估臨床療效，滿分100分，90分以上為優，80～89分為良，70～79分可，小于70分為差。隨訪時進行X線片檢查，必要時CT掃描。評估髖關節旋轉中心重建的準確性，旋轉中心的垂直距離為中心點距雙側淚滴下緣連線的距離，水平距離為中心點至通過淚滴并垂直于雙側淚滴連線的直線距離，計算雙側距離的差值。評估假體骨長入情況，宿主骨與植骨區之間出現連續的骨小梁判定為移植骨長入。根據Massin方法[6]評估假體松動及移位情況，假體移位超過2 mm或螺釘斷裂判定為松動；假體無移位，但周圍出現1 mm以上透光線定為可疑松動。

2 結 果

2.1 一般情況 本組重建采用臼杯-墊塊復合體TTM臼杯+同種異體顆粒骨打壓植骨6例(ⅡB、ⅡC、ⅢA型)，TTM帶翼臼杯+結構植骨2例(ⅢB型)。術中髖臼側假體均取出順利，所有患者均行股骨側翻修，本組患者所使用高交聯聚乙烯內襯內徑和股骨頭直徑均為28 mm。手術時間平均(217.6±59.1)min，術中出血量平均(1 012±846)mL。輸血5例，術中異體輸血量平均(513±700)mL。術后切口均一期愈合，無感染、血管神經損傷及脫位發生。本組隨訪18～36個月，平均(25.0±6.1)個月。末次隨訪Harriss髖關節評分由術前(36.3±8.5)分提高至(82.8±6.3)分，其中優2例，良好5例，可1例，優良率87.5%。

2.2 影像學評價 術后患側髖關節旋轉中心垂直距離為16.8～31.4 mm，平均為(24.9±5.4)mm；健側16.1～32.5 mm，平均為(24.4±6.0)mm；雙側差值-4.1～2.1mm，平均為(0.5±2.7)mm?；紓人骄嚯x30.5～48.5 mm，平均為(39.9±5.9)mm；健側37.4～48.2 mm，平均為(41.9±4.4)mm；雙側差值為-11.8～3.1 mm，平均為(-2.0±6.1)mm?；紓润y關節旋轉中心基本處于解剖位置。

所有患者假體位置良好，影像學未發現明確松動，1例患者髖臼假體周圍可見非連續性假體透光線，判定為可疑松動，但在術后1年及以后隨訪中透光線無進展。其余患者術后植骨區與宿主骨間透亮線均消失，可見連續性骨小梁通過植骨區。隨訪過程中無假體移位及螺釘松動、斷裂。

2.3 典型病例 (a)70歲女性患者，因“右髖置換術后7年假體無菌性松動”入院。入院診斷：右髖假體無菌性松動。術前X線片示髖臼骨缺損Paprosky ⅢB型，采用3D打印TTM帶翼臼杯聯合同種異體骨結構植骨進行翻修，術后X線片示髖關節基本解剖重建，術后2年X線片示臼杯無松動，植骨區骨整合良好。末次隨訪Harris髖關節評分由術前28分提高至91分(見圖1～4)。(b)81歲女性患者，因“左髖置換術后28年假體無菌性松動”入院。入院診斷：左髖假體無菌性松動。術前X線片示髖臼骨缺損Paprosky ⅢA型，采用3D打印臼杯-墊塊復合體 TTM 臼杯結合同種異體顆粒骨植骨進行翻修，術后X線片示假體位置良好，術后1年X線片未見假體松動、移位跡象，假體周圍無透亮線，植骨愈合。末次隨訪Harris髖關節評分由術前32分提高至85分(見圖5～8)。

圖1 術前正位X線片示髖臼Paprosky ⅢB型骨缺損 圖2 3D打印鈦合金骨小梁帶翼金屬臼杯 圖3 術后3 d X線片示髖關節旋轉中心恢復良好 圖4 術后2年X線片可見假體穩定，同種異體骨長入良好

圖5 術前正位X線片示髖臼Paprosky ⅢA型骨缺損 圖6 3D打印鈦合金骨小梁金屬臼杯 圖7 術后4 d X線片示髖關節旋轉中心恢復良好 圖8 術后1年X線片可見假體穩定，植骨區域骨長入良好

3 討 論

3.1 3D 打印TTM臼杯重建髖臼骨缺損的療效 定制假體通過合理精確的術前設計橋接髖臼骨缺損區域，可獲得良好的宿主骨接觸和支撐。Li等[7]使用快速成型技術制作cage結合植骨重建26例Paprosky ⅢB型骨缺損，術后5年Harris評分提高至平均82分，無再翻修患者。Taunton等[8]對57例AAOS IV型骨缺損患者進行定制三翼臼杯重建，5年隨訪Harris評分提高至75分。Wind等[9]報告使用定制三翼臼杯治療19例Paprosky Ⅲ型骨缺損患者，隨訪31個月Harris評分提高至63分。本研究采用3D打印TTM臼杯重建髖臼側骨缺損，末次隨訪時Harris評分提高至(82.8±6.3)分，優良率87.5%，與既往文獻比較取得了較好的髖關節功能。我們認為3D 打印技術可為患者“量身定制”，使假體的安放以及畸形的矯正等難題得到解決，確保假體與宿主骨的有效堅強固定，能夠滿足多種復雜類型的髖臼骨缺損。

TTM臼杯具有優越的生物學特性，其表面多孔層與臼杯底層一次成形，力學性能可達到傳統鍛造標準，表面多孔層的孔徑直徑可達65 μm，孔隙率68%～81%，孔徑、孔隙率、彈性模量和硬度均接近于正常松質骨，利于骨長入[10]。此外TTM假體的粗糙表面可以增大與宿主骨之間的摩擦系數，可獲得更為理想的初始穩定性[11]。TTM臼杯的這些特性為重建髖關節生物力學，達到遠期生物學穩定提供了堅實的基礎。本組所有病例影像學未發現明確松動現象，骨長入良好。

3.2 3D打印假體及植骨方式的選擇 對Paprosky ⅡB～ⅢA型骨缺損，其髖臼內側壁和前后柱結構相對完整，可以為新植入假體提供初始穩定固定，本研究采用3D打印臼杯-墊塊一體式TTM假體，此類假體是將標準臼杯和墊塊一體化成形，墊塊與骨缺損高度吻合，整體性強，便于安裝，避免了組配式墊塊固定的不確定性。釘道的方向、部位和長度均在術前規劃設計完成，術中一次性完成螺釘固定，避免反復調試及誤差，簡化了手術操作步驟，提高了精確度和安全性。對腔隙性骨缺損則采用同種異體顆粒骨打壓植骨，填充假體和宿主骨的間隙達到假體的緊密接觸。同種異體顆粒骨打壓植骨有優越的骨整合性，保證宿主骨與髖臼假體最大限度地接觸，促進骨長入，可以獲得良好的中遠期效果[12]。隨訪期間所有臼杯-墊塊一體式TTM假體穩定，顆粒骨植骨均愈合良好。

Paprosky ⅢB型骨缺損髖臼前后柱受損嚴重，髖臼環骨缺損達60%以上，普通假體難以獲得即刻穩定，翻修失敗率較高[13]。我們設計3D打印TTM帶翼臼杯假體，骨缺損區依次進行充分逐層打壓植骨，對后壁、后柱的巨大骨缺損區域運用修整形狀合適的同種異體結構植骨結合顆粒打壓植骨重建骨量。TTM帶翼臼杯上設計的固定翼及體部的螺釘孔分別對髂骨、植入骨及髖臼體部進行固定，形成同種異體骨及帶翼臼杯復合體。帶翼臼杯形成應力旁路傳導，防止移植骨過早承載，保護植入骨組織，提供早期骨整合所需的生物力學環境，避免植骨吸收及假體松動，最終使假體獲得穩定的生物固定[14]。

3.3 髖關節旋轉中心的重建 旋轉中心的恢復有利于髖關節生物力學的重建，從而獲得翻修假體的長期穩定。旋轉中心過高可導致肢體不等長，引起臀中肌、外展肌力量下降及髖周軟組織張力不足，易引起術后脫位，并且大大增加了假體的遠期失敗率[15]。本研究參考對側髖臼確定患側旋轉中心位置，設計適當大小的髖臼杯，術后患側旋轉中心較術前明顯矯正，與對側相比垂直距離略高，差值僅為(0.5±2.7)mm；水平距離與健側相比可能輕度內移，差值(-2.0±6.1)mm。本組髖臼側骨缺損嚴重，翻修術后基本解剖重建了髖關節旋轉中心，恢復了肢體長度及髖周軟組織張力，有利于降低假體所承受的應力，減少術后脫位的風險，增加假體遠期穩定性。

綜上，3D打印TTM假體結合植骨進行全髖翻修重建髖臼骨缺損，可精確規劃手術預案，假體匹配良好，利于獲得牢固的生物固定，但本研究病例數較少，為近期隨訪結果，且缺乏與類似技術文獻報道的比對，其遠期療效還有待進一步觀察。