3D打印技术在颧骨颧弓骨折复位钛板固定中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1406

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

颧骨颧弓骨折复位：颧骨颧弓骨折易引起患者颌面形态破坏和咀嚼功能障碍，骨折复位固定已成为理想治疗方法，但因颧骨颧弓特殊的解剖结构及严格的颌面形态恢复要求，术者需准确定位骨折部位、移位程度及骨折线走行，方能实施精准复位，获得理想的手术效果。

3D打印术：作为计算机技术、三维重建影像学技术、虚拟模拟技术等核心技术相融合的产物，在骨折术中，其主要应用价值在于将虚拟的手术设计方案转化为现实手术的实施过程，为手术效果的提高提供一种由虚拟转化为现实的有效途径。

背景：在治疗颧骨颧弓骨折的过程中，因颧骨颧弓特殊的解剖结构及严格的颌面形态恢复要求，术者需准确定位骨折部位、移位程度及骨折线走行方能实施精准复位，获得理想的手术效果。

目的：研究3D打印技术在颧骨颧弓骨折复位固定中的应用价值。

方法：纳入兴义市人民医院2017年1月至2018年6月收治的76例颧骨颧弓骨折患者，采用随机数字表法分为2组：对照组(n=38)行传统的切开复位钛板内固定治疗；观察组(n=38)术前制作3D骨折模型，在模型的基础上设计、实施切开复位钛板内固定治疗。评价2组骨折复位效果；记录并发症发生情况；术前及术后第8天采集空腹静脉血，检测血清骨形态发生蛋白2和血管内皮生长因子质量浓度；影像学判断骨性愈合时间。试验已获得兴义市人民医院伦理委员会批准。

结果与结论：①观察组骨折复位优良率高于对照组(92%，76%，P < 0.05)；②观察组骨性愈合时间短于对照组[(32.83±4.26)，(45.28±6.71) d，P < 0.05]；③术后第8天，两组骨形态发生蛋白2和血管内皮生长因子质量浓度均高于治疗前(P < 0.05)，观察组骨形态发生蛋白2和血管内皮生长因子质量浓度高于对照组(P < 0.05)；④观察组并发症发生率低于对照组(8%，26%，P < 0.05)；⑤结果表明在颧骨颧弓骨折复位固定治疗中，应用3D打印技术能有效提高骨折复位效果与骨折愈合效果，降低手术相关并发症的发生率。

ORCID: 0000-0001-9258-4426(欧邦宾)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 颧骨颧弓, 骨折, 固定术, 复位, 3D打印技术, 钛板, 骨折愈合, 并发症;骨形态发生蛋白2, 血管内皮生长因子

Abstract:

BACKGROUND: In the treatment of zygomatic arch fracture, due to the special anatomical structure of zygomatic arch and the strict requirement of maxillofacial morphology recovery, it is necessary for the operator to accurately locate the fracture location, displacement degree and fracture line to implement precise reduction and achieve ideal surgical results.

OBJECTIVE: To investigate the application value of 3D printing technology in reduction and fixation of zygomatic arch fracture.

METHODS: Seventy-six patients with zygomatic arch fracture admitted to Xingyi People's Hospital from January 2017 to June 2018 were divided into two groups by random number table method. In the control group (n=38), patients received traditional open reduction and internal fixation with titanium plate. In the observation group (n=38), open reduction and internal fixation with titanium plate was designed and implemented on a pre-made 3D fracture model. The fracture reduction effect was evaluated in these two groups. Complications were recorded. Prior to and 8 days after surgery, fasting venous blood was collected to detect serum levels of bone morphogenetic protein 2 and vascular endothelial growth factor. The time of bone healing was judged by imaging examination. This study was approved by the Ethics Committee of Xingyi People's Hospital, China.

RESULTS AND CONCLUSION: The excellent and good rate of fracture reduction in the observation group was higher than that in the control group (92%, 76%, P < 0.05); the healing time in the observation group was shorter than that in the control group [(32.83±4.26), (45.28±6.71) days, P < 0.05]. At 8 days after surgery, serum levels of bone morphogenetic protein 2 and vascular endothelial growth factor were significantly higher than those before surgery in each group (P < 0.05). At 8 days after surgery, serum levels of bone morphogenetic protein 2 and vascular endothelial growth factor in the observation group were significantly higher than those in the control group (P < 0.05). The incidence of complications in the observation group was significantly lower than that in the control group (8%, 26%, P < 0.05). The results suggest that in the treatment of zygomatic arch fracture, application of 3D printing technology can effectively enhance fracture reduction and healing, and reduce the incidence of surgery-related complications.

Key words: zygomatic arch, fracture, fixation, reduction, 3D printing, titanium plate, fracture healing, complications, bone morphogenetic protein 2 and vascular endothelial growth factor

中图分类号:

R459.9

','1');return false;" target="_blank">

R459.9

欧邦宾，李迎霞，刘庭庭. 3D打印技术在颧骨颧弓骨折复位钛板固定中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(34): 5442-5446.

Ou Bangbin, Li Yingxia, Liu Tingting. Application of 3D printing technology in reduction and fixation of zygomatic arch fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(34): 5442-5446.

图/表（结果） 5

参考文献

[1]白建中,王永祥,王静成,等. 3D打印辅助手术与传统手术治疗Pilon骨折疗效比较的荟萃分析[J].中国矫形外科杂志,2018, 26(22):2073-2077.

[2]张擎柱,万乾,张义,等.3D打印技术辅助改良后内侧倒L入路切开复位内固定术治疗复杂胫骨平台骨折的疗效分析[J].中华实用诊断与治疗杂志,2018,32(11):1091-1093.

[3]阳宏奇,雷青,蔡立宏,等.3D打印导板辅助空心螺钉内固定治疗不稳定性骨盆骨折[J].中国修复重建外科杂志, 2018,32(2):145-151.

[4]何藻鹏,李卫,刘金伟,等.3D打印技术在SandersⅢ型跟骨骨折内固定手术设计中的应用[J].中华创伤骨科杂志, 2017,19(9):791-796.

[5]郑锋,余正希,陈宣煌,等.基于数字化设计和3D打印胫骨近端骨折内固定的关键技术[J].中国组织工程研究,2016,20(26): 3837-3842.

[6]李振威,蒋玮,桂斌捷,等.3D打印钢板在儿童骨折内固定手术中的应用研究[J].生物医学工程与临床,2018,22(5):546-550.

[7]王向前,张计超,李军,等. 3D打印技术辅助跗骨窦入路钢板内固定治疗Sanders Ⅱ、Ⅲ型跟骨骨折[J].中国骨与关节损伤杂志, 2018,33(8):881-883.

[8]柳鑫,曾参军,卢键森,等.3D打印计算机虚拟辅助技术在髋臼骨折术前规划中的应用[J].南方医科大学学报, 2017,37(3): 378-382.

[9]许思亮,古汉南,何玥,等.3D打印技术在桡骨远端骨折复位内固定手术中的应用[J].中国骨科临床与基础研究杂志, 2018,10(3): 133-139.

[10]赵景新,马雅昌,朱雅文,等.3D打印用于青少年Salter-Harris Ⅱ型桡骨远端骨折辅助治疗的临床效果分析[J].中国临床解剖学杂志,2018,36(3):346-348,351.

[11]肖维维,陈媛丽,宗春琳,等.应用外科导航技术经皮微小切口拆除颧骨颧弓骨折术后内固定钛板[J].中华口腔医学研究杂志(电子版),2018,12(1):31-36.

[12]徐冰冰,李雅南,来庆国,等.3D打印术前设计和内镜辅助在颧骨颧弓骨折复位固定术中的应用[J].中国口腔颌面外科杂志,2018, 16(1):44-47.

[13]克热木•阿巴司,凌彬,买买提吐逊•吐尔地,等.改良耳颞-结膜-口内联合切口治疗眼眶-上颌-颧骨、颧弓复合体骨折[J].口腔医学研究,2016,32(5):464-469.

[14]Kalfarentzos EF,Deligianni D,Mitros G,et al.Biomechanical evaluation of plating techniques for fixing mandibular angle fractures: the introduction of a new 3D plate approach.Oral Maxillofac Surg. 2009;13(3):139-144.

[15]吴海斌,张昊天.中医骨折分期治疗对骨折愈合bFGF、TGF-β、VEGF、BMP-2基因表达影响的实验研究[J].哈尔滨医药,2016, 36(3):290-291.

[16]曾中华,余黎,龚玲玲,等.骨折愈合过程中BMP-2和VEGF的表达[J].武汉大学学报(医学版),2005,26(4):467-469.

[17]熊为,丁金玉,张劲松,等.血府逐瘀汤对股骨颈骨折患者TGF-β、VEGF及BMP-2表达的影响[J].现代生物医学进展, 2016,16(5): 901-903.

[18]郭瑞,洪凯峰,郭栋,等.3D打印技术在胫骨骨折畸形愈合矫形手术中的应用[J].中华骨与关节外科杂志,2018,11(1):50-52,57.

[19]马腾,魏代好,秦悦,等.常规影像学结合3D打印技术在复杂胫骨平台骨折治疗中的应用[J].宁夏医科大学学报, 2017,39(12): 1452-1454.

[20]刘正武,覃向明,陈凤强,等.内窥镜辅助下3D打印技术治疗颧骨颧弓骨折的临床效果[J].广西医学,2019,41(2):255-257.

[21]申智敏,段宜强,叶川,等.3D打印导航模块及联合数字化设计在髋臼骨折中的应用研究[J].重庆医学,2019,48(2):301-304,309.

[22]张擎柱,张义,付世杰,等.采用3D打印技术辅助手术治疗复杂髋臼骨折效果分析[J].临床误诊误治,2018,31(12):37-40.

[23]杨伟兵,张勇智,杨登峰,等.3D打印技术辅助髂骨翼重建髋臼后壁联合内固定治疗髋臼后壁粉碎性骨折[J].中国骨与关节损伤杂志,2018,33(12):1270-1271.

[24]赵殿才,聂玉洁,欧阳舢,等.3D打印复合型种植导板在游离端牙缺失种植修复中的临床应用[J].中国组织工程研究,2018, 22(14):2179-2184.

[25]郇科,苏菲,王飞,等.3D打印技术在骶骨骨折治疗中的临床应用[J].中国医药导报,2018,15(24):67-70,83.

引言

材料方法

1.1 设计随机分组，对照观察试验。

1.2 时间及地点试验于2017年1月至2018年6月在兴义市人民医院完成。

1.3 对象选择2017年1月至2018年6月兴义市人民医院收治的76例颧骨颧弓骨折患者，其中男41例，女35例；年龄15-75岁，平均(56.26±6.61)岁；致伤原因：交通事故55例，跌打伤21例；颧骨骨折35例，颧弓骨折36例，颧骨颧弓联合骨折5例；闭合性骨折70例，开放性骨折6例；Knight和North分类：Ⅲ型34例，Ⅳ型24例，Ⅴ型11例，Ⅵ型7例。采用随机数字表法将76例患者随机分为观察组和对照组，每组38例。

病例纳入标准：均为单侧骨折者；能完成随访观察者。

病例排除标准：合并感染性疾病者；合并神经系统疾病者；合并恶性肿瘤疾病者。

1.4 钛板材料见表1。

1.5 方法试验已获得兴义市人民医院伦理委员会批准。患者加家属对治疗知情同意并签署知情同意书。两组均行切开复位钛板内固定治疗。手术操作步骤参照《外科手术规范化操作与配合(骨科分册)》(2007)，两组手术操作均由同一组医师。

1.5.1 观察组治疗方法术前应用3D打印技术制作3D骨折模型，在模型的基础上设计、实施手术方案。具体实施步骤如下：

CT扫描：于术前行64层螺旋CT扫描，扫描层厚设置为0.625 mm，以DICOM格式对扫描结果进行保存，并于Mimics10.01软件中导入，分割阀值，增长三维区域，进行三维重建，并进行简单光滑处理^[4]。

设计骨折3D模型：基于Edit Mask in 3D软件对三维蒙版功能进行编辑、修补，每层轮廓线精确选取，设计骨折3D模型，在模型运算中以optimal质量选项进行开展，获得3D模型后于Mimics10.01软件导出，以STL格式保存。再于3D快速成型机输出，根据聚乳酸工艺设定参数打印出1∶1比例的骨折模型和镜像反求的正常颧骨颧弓模型^[5]。

钛板预成型：根据骨折模型分析骨折旋转方向、移位角度、骨折线走形，选择大小合适、形状适宜的钛板，并对钛板进行塑型^[6]。

手术设计：根据模型分析骨折发生机制，分析骨折块与血管、神经的位置关系，确定最佳的复位方法，选择最佳的内固定方式，明确内固定材料的放置位置和螺钉的固定方向，在此基础上模拟内固定方案，制定个性化复位固定方案。

手术实施：首先，于耳屏前进行手术切口设计，依次将皮肤、筋膜切开，使颞浅动脉、静脉充分暴露；再依次将颞浅筋膜、颞深筋膜依次切开，分离深筋膜至颧弓表面，并向前剥离，使内镜操作空间建立后将内镜插入，将骨表面软组织分离直至骨折断端充分暴露，后解剖复位^[7]。然后，于颧弓中份面部投影处作一切口，建立隧道通向颧弓骨折表面，经该隧道输送预成型钛板。最后，实施钛板内固定，缝合包扎切口。

1.5.2 对照组治疗方法行传统切口复位钛板内固定治疗，即术前行CT扫描，根据影像学资料开展复位内固定术，手术实施步骤同观察组。

1.6 主要观察指标

1.6.1 骨折复位效果术后分别评价两组患者骨折复位效果。

评价标准：优，Ⅰ期愈合，创口无感染发生，影像学复查显示骨折段解剖复位良好，患者颌面形态协调，咬合关系和咀嚼功能恢复正常；良，Ⅰ期愈合，创口无感染发生，影像学复查显示骨折段解剖复位较好，但存在轻微错位，颌面形态基本对称，咬合关系和咀嚼功能基本恢复；差，创口感染，影像学复查显示骨折段错位明显，颌面形态不协调，咬合关系和咀嚼功能无改善^[8]。

1.6.2 骨折愈合效果于两组患者入院第2天清晨及术后第8天清晨分别采集空腹静脉血5 mL，静置1 h后离心分离血清，4 000 r/min离心15 min，检测血清骨形态发生蛋白2和血管内皮生长因子质量浓度。骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子检测均采用ELISA方法定量测定，检测步骤严格按照试剂盒说明书进行。同时分别统计2组患者骨性愈合时间。

骨折愈合判定标准：局部无压痛，无纵向叩击痛；局部无异常活动；X射线照片显示骨折线模糊，有连续性骨痂通过骨折线。

1.6.3 并发症发生率术后分别统计两组手术相关并发症的发生率，包括伤口感染、面神经损伤、钛板排异、固定物松动等。

1.7 统计学分析统计软件采用SPSS 20.0版本，以n/%的形式对计数检测数据进行表示，数据之间的比较用χ²对其进行检验；用x(_)±s形式对计量检测数据进行表示，数据之间的比较用t 检验。P < 0.05提示数据之间的差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

颧骨颧弓骨折复位效果对患者颌面形态的恢复具有重要的意义，目前内固定已成为该骨折类型临床治疗的首选方式。为实现精准复位，临床实践对颧骨颧弓骨折复位固定提出了如下原则：即保证颧牙槽嵴、眶外缘、眶下缘、颧弓4点中至少3点以上实现解剖复位^[9]。这一原则对简单的新鲜颧骨颧弓骨折多可获得理想的复位效果，而对于较严重、较复杂的骨折患者，因复位参考点的丧失，导致术者难以获得复位依据，手术实施过程中缺乏骨折线走形的充分了解、缺乏咬合引导，给骨折断端的精准复位带来了相当大的难度，此时术者仅能依靠手术经验开展手术，导致手术效果不理想，术后患者出现颧面部不对称畸形、手术并发症多等，这已成为颧骨颧弓骨折复位固定术开展所面临的主要难点问题^[10-11]。

3D打印术作为计算机技术、三维重建影像学技术、虚拟模拟技术等核心技术相融合的产物，在骨折术中其主要应用价值在于将虚拟的手术设计方案转化为现实手术的实施过程，为手术效果的提高提供一种由虚拟转化为现实的有效途径^[12]。此次研究采用病例对照研究的方法，对照组行传统切开复位钛板内固定治疗，观察组术前制作3D骨折模型，在模型的基础上设计、实施切开复位钛板内固定，结果显示在骨折复位优良率上，观察组高于对照组(P < 0.05)，即观察组骨折复位效果优于对照组。同时，骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子对促骨细胞分化和诱导成骨具有较强的作用，在骨生成和骨折愈合过程中发挥着重要的作用机制^[13-14]。研究结果显示，观察组术后骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子指标值升高幅度大于对照组(P < 0.05)，平均骨折骨性愈合时间短于对照组，即观察组患者骨折愈合效果优于对照组。另外，观察组患者术后并发症的发生率低于对照组(P < 0.05)。即通过3D打印技术的应用显著提高了颧骨颧弓骨折复位固定的骨折复位效果、骨折愈合效果，显著降低了手术相关并发症的发生率^[15-17]。

首先，在骨折复位上，通过3D模型的制作将健侧组织结构及形态于患侧对称，可对患侧的正常解剖结构、轮廓进行明确，并以此为模板进行骨折段的模拟复位，显著增加了骨折复位的可预测性、可操作性^[18]；且通过3D模型术前设计可对骨折移位角度、骨折线走形进行充分了解，也可对颧骨颧弓骨折块的复位效果进行实时验证，实现手术实施方案的及时调整，以获得最佳的骨折复位效果。其次，在骨折愈合上，通过3D模型的制作能够创建一个虚拟环境，对手术器械和病变组织的位置关系进行清晰显示，手术医师从三维各个角度能够准确判断正常解剖结构、骨折线走形、病变组织之间的动态三维空间位置关系，能够有效避免术中广泛分离周围组织，最大限度地保留骨折端血供，对骨折端附着肌肉不造成损伤，实现原位复位固定，对促进骨折愈合具有重要作用^[19-20]。治疗后，观察组平均骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子指标值显著升高，且改善效果优于对照组，主要是因为在3D模型为骨折愈合提供的上述良好条件下，能够对骨折段供氧、营养物质的输送、代谢废物的运输及局部骨再生、代谢等提供良好的微环境，使血管生成调节因子的功能得以高效发挥，结合血管内皮细胞膜上的受体特异性地促血管内皮细胞增生，上调骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子水平^[21-22]。而骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子水平表达水平的升高对促进骨折愈合具有重要的作用，二者相互影响、相互作用，提高骨折复位效果。最后，在预防并发症上，通过3D打印技术术前设计可明确手术器械操作的具体位置，避免对面神经等重要解剖结构造成误伤；且于眶壁、眶缘重建过程中，可对重建位置进行指导，优化重建效果，显著降低手术相关并发症的发生率^[23-24]。

颧骨颧弓骨折复位固定术中通过3D打印技术的应用可有效提高手术效果，但在临床实践中部分患者双侧颧骨颧弓并非绝对的镜像对称，如机械的通过3D模型制作，照搬镜像结果会导致治疗效果不理想。鉴于此，在该技术未来的发展中应进一步采取优化措施，对患者镜像后解剖结构进行数据配准和三维空间的微调，准确确立对称平面，以提高手术效果^[25]。

综上，在颧骨颧弓骨折复位固定术中，针对粉碎性骨折段移位严重患者，通过3D打印技术的应用能有效提高骨折复位效果和骨折愈合效果，降低手术相关并发症的发生率，为获得理想的手术效果提供新的技术保障。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程