增材制造技术在骨缺损修复治疗中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1706

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (18): 2915-2920.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1706

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增材制造技术在骨缺损修复治疗中的应用

方旭¹，董军峰^1，2

¹三峡大学第一临床医学院(宜昌市中心人民医院)脊柱外科，湖北省宜昌市 443003；²三峡大学脊柱医学与创伤研究所，湖北省宜昌市 443003

收稿日期:2019-01-19 出版日期:2019-06-28 发布日期:2019-06-28
通讯作者: 董军峰，博士，副主任医师，硕士生导师，三峡大学第一临床医学院(宜昌市中心人民医院)脊柱外科，湖北省宜昌市 443003
作者简介:方旭，男，1994年生，湖北省荆州市人，三峡大学外科学在读硕士，主要从事脊柱外科、生物材料与骨组织工程研究。
基金资助:
国家自然科学基金(青年基金项目) (31600779)，项目负责人：董军峰；宜昌市医疗卫生科研项目(A18-301-30)项目负责人：董军峰

Application of additive manufacturing technology in bone defects

Fang Xu¹, Dong Junfeng^{1, 2}

¹Department of Spinal Surgery, the First Clinical Medical College of Three Gorges University (Yichang Central People’s Hospital), Yichang 443003, Hubei Province, China; ²Institute for Spinal Medicine and Trauma, Three Gorges University, Yichang 443003, Hubei Province, China

Received:2019-01-19 Online:2019-06-28 Published:2019-06-28
Contact: Dong Junfeng, MD, Associate chief physician, Master’s supervisor, Department of Spinal Surgery, the First Clinical Medical College of Three Gorges University (Yichang Central People’s Hospital), Yichang 443003, Hubei Province, China; Institute for Spinal Medicine and Trauma, Three Gorges University, Yichang 443003, Hubei Province, China
About author:Fang Xu, Master candidate, Department of Spinal Surgery, the First Clinical Medical College of Three Gorges University (Yichang Central People’s Hospital), Yichang 443003, Hubei Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China (Youth Program), No. 31600779 (to DJF); the Medical Health Research Project of Yichang, No. A18-301-30 (to DJF)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

骨缺损：因创伤和手术所致的骨质短缺，称为骨缺损。由于骨缺损的存在，常造成骨不连接、延迟愈合或不愈合及局部功能障碍。临床上的骨缺损常是由于肿瘤、感染、创伤造成的。

增材制造技术：是融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术为一体的新型技术，可以通过软件将金属材料、非金属材料以及医用生物材料逐层打印出来，在骨缺损的临床应用方面有很大前景。

背景：增材制造技术凭借其能快速精准制备出假体的优点，在骨缺损治疗方面应用广泛。

目的：对增材制造技术在骨缺损方面的临床应用现状做一综述。

方法：由第一作者检索PubMed、CNKI、万方数据库2000至2018年收录的有关增材制造与骨缺损的文献，中文检索词为“骨缺损，增材制造，3D打印技术，骨肿瘤”，英文检索词为“Bone defect，Additive Manufacturing (AM)，3D Printing，Bone tumour”。

结果与结论：①增材制造技术能结合现代影像技术，快速进行体外的假体三维重建；②治疗骨缺损时不仅能在术前构建骨缺损模型进行模拟手术，熟悉和对比手术方式，有效减少实际手术时间；还能快速精准的制备出形状各异的植入物，明显提高手术成功率；③增材制造技术展现出在骨缺损临床应用方面的优势。

ORCID: 0000-0001-7045-7776(方旭)
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: 增材制造, 骨缺损, 骨修复, 骨肿瘤, 三维重建, 模拟手术, 快速精准制造, 植入物, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Additive material manufacturing technology is widely used in the treatment of bone defects because of its advantages of rapid and accurate preparation of prostheses.

OBJECTIVE: To review the current situation of material addition technology applied in bone defects.

METHODS: The first author searched the articles related to additive manufacturing and bone defect repair in PubMed, CNKI, and WanFang databases published from 2000 to 2018. The keywords were “bone defect, additive manufacturing (AM), 3D printing, bone tumour” in Chinese and English, respectively.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The additive manufacturing technology can rapidly reconstruct the three-dimensional prosthesis in vitro with modern imaging technology. (2) In the treatment of bone defects, we cannot only establish the model of bone defects before operation to simulate the operation, familiarize and compare the operation methods, and effectively reduce the operation time, but also can quickly and accurately prepare different varieties of implants, significantly improving the success rate of surgery. (3) Additive manufacturing technology shows good prospects in the clinical application of bone defects.

Key words: additive manufacturing, bone defects, bone repair, bone tumor, three-dimensional reconstruction, simulating surgery, quick and accurate preparation, implants, the National Natural Science Foundation of China

中图分类号:

R459.9

方旭，董军峰. 增材制造技术在骨缺损修复治疗中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(18): 2915-2920.

Fang Xu, Dong Junfeng. Application of additive manufacturing technology in bone defects[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(18): 2915-2920.

图/表（结果） 1

2.1 增材制造技术与骨缺损

2.1.1 增材制造原理增材制造技术俗称3D打印技术，也叫快速成型技术。是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料通过逐层堆叠累积的方式制造三维实体的先进技术。增材制造技术放弃了传统材料技术需要依靠工厂生产的模式，可为患者快捷的制备出个性化植入物，缩短了生产周期，解决了传统材料制造业被时间和空间限制的问题。但是目前制作成本仍然很高，找到既具备良好生物相容性又有较好生物力学的打印原材料也是一大难题。增材制造技术根据不同的成型原理，包括分层实体成型、熔融沉积成型、立体光固化成型及选择性激光烧结^[15]。

2.1.2 增材制造技术在骨缺损应用上的优点由创伤、结核、肿瘤导致的骨缺损形状往往是不规则的，这就要求手术者在术中对植入物反复塑形与比对，不仅增加手术时间，而且影响手术效果。因此临床上需要一种能够满足患者个性化的快速完成植入物修复的技术，增材制造技术应运而生。增材制造技术相对于其他骨缺损制备工艺而言有许多明显的优势：①增材制造技术可利用计算机进行三维重建，制作骨缺损外科实体模型，用于外科模拟手术和协助教学。董青山等^[16]、Waran等^[17]利用增材制造技术术前建模进行模拟手术，结果表明真实手术过程会变得快捷、顺利。国内杜浩等^[18]学者通过三维重建及增材制造技术快速制备6例股骨头坏死实物模型，进行术前设计和术中定位，构建的实物模型对手术起到了关键作用；②增材制造技术可以帮助患者设计个性化的植入物从而减少手术的总时间和费用^[19]。荷兰医生成功为1例83岁的患者植入增材制造技术制造的下颌骨，手术时间和恢复时间都明显减少^[20]；③增材制造技术可以用来制备生物支架，制出的支架不仅具有良好的生物相容性，而且支架的孔隙大小、形状更适合种植细胞的迁移、增殖与分化，为骨缺损修复提供良好的环境。Meseguer-olmo等^[21]将增材制造技术制备的羟基磷灰石/聚己内酯/脱钙骨基质植入兔子体内，不仅保证了细胞在支架内的精确分布，而且增加了软骨细胞的成活率，支架能与周围组织更好的匹配，为软骨的修复提供良好的环境；④增材制造技术可以用于骨缺损外科手术中的精确导航。Zhang等^[22]将髋关节置换术中的患者随机分为增材制造术中导航组和传统手术组，对比手术效果，发现增材制造技术在术中导航上有明显的优势。

2.2 增材制造技术在口腔颌面部骨缺损中的应用口腔颌面部有着复杂的解剖结构，若修复材料有着几厘米甚至几毫米的差异就会显著影响言语、吞咽和面部功能。因此临床上对口腔颌面部的骨缺损修复的精确度有着很高的挑战，而增材制造技术能保证这种精确度。施伟等^[23]基于CT数据对颌骨支架材料进行有限元件分析为1例颌骨囊肿患者应用增材制造技术打印出支架模型，发现使用增材制造技术制得支架实体模型的外部形态和颌骨区缺损的内部结构高度匹配。马成^[24]使用计算机辅助技术与增材制造技术结合血管化腓骨游离移植修复下颌骨缺损，从22例下颌骨病变患者进行个体化重建过程中来探索增材制造技术结合血管化腓骨游离移植在治疗下颌骨缺损中的精确度和重建效率。结果表明使用计算机辅助技术和增材制造技术进行下颌骨修复重建各个位点平均移动距离小于常规方法，手术平均时间也小于常规方法，增材制造技术能够提高下颌骨重建的精确度与效率。但是由于样本有限，试验不能反映出试验组与对照组的整体差异。Azuma等^[25]报道采用增材制造的方法进行手术，患者下颌骨对称性恢复效果明显好于传统手术。术后患者容貌得到改善，生活质量明显提高。2015年Engel等^[26]利用增材制造技术为1例严重眼眶肥大症的孩子调整眼眶距离，手术过程成功，患者恢复良好，视神经盘无异常，双眼视力无病理改变。Nkenke等^[27]利用增材制造技术为1例因车祸而失去右上颌骨的患者成功制备出上颌骨，并且通过手术成功修复了患者的上颌骨缺损，患者在最短的时间内恢复了生活质量。但这些病例都缺少长期的随访，无法了解骨缺损修复后的患者的长期生活质量。Jardini等^[28]通过增材制造技术制备出钛植入物成功为1例车祸而右侧颅骨缺失的患者成功修复了颅骨缺损。龚振宇等^[29]运用增材制造技术对43例复杂颌面部骨性病损的患者进行个体化设计、制备植入物、实体模型体外手术模拟，最终手术过程顺利，明显缩短了手术时间，提高了手术质量。体现了计算机技术与增材制造技术联合并应用临床工作的可能性，也证明了增材制造技术在颌面部骨缺损修复的精确度上是值得肯定的。

2.3 增材制造技术在关节外科骨缺损中的应用在关节外科中关节置换和肿瘤切除时需要假体来替代骨缺损，恢复相应的外观及功能，但是目前的关节假体都是按照固定模型制造的，很难与患者骨缺损相匹配，甚至无假体可以置换。利用增材制造技术可以结合患者影像学数据制造个性化骨缺损植入物，表面轮廓与患者组织缺损精确匹配，不仅减少手术时间，利于手术操作，还能减少术后并发症，因此增材制造技术在关节缺损中的应用也成为一大热点。如果存在严重的髋臼周围骨丢失，翻修式全髋关节置换就会具有挑战性。Mao等^[30]就利用增材制造技术制备巨大的髋关节骨缺损模型，应用于23例严重髋关节受损患者，随访(81.6±24.9)个月，平均Harris髋关节评分由术前的39.6分提高到最终随访的80.9分，无深部感染、严重静脉血栓形成和神经麻痹病例。说明增材制造技术在巨大髋关节的应用上较全髋关节置换更有前途，但是要了解定制植入物的各种性能还需要更加长期的随访。Han等^[31]为1例肿瘤性膝关节纤维化的32岁女性患者收集并重建CT图像，利用增材制造技术制作了膝关节骨缺损模型，并在术前进行模拟手术。术中时间和困难度明显降低，术后随访27个月，功能恢复良好。对于复杂膝关节骨缺损的外科治疗，术前设计和三维打印仿真技术可以提供比传统方法更准确、更有效的手术结果，是一种适合于复杂和重症病例推广的方法。虽然关节软骨缺损影响着全世界从青少年到成人的数百万人，但是由于组织的内源性再生有限和与植入物结合不良，关节软骨缺损的修复仍然具有挑战性。Guo等^[32]通过将增材制造打印治疗支架与显微骨折外科手术相结合，开发了一种修复严重关节缺损的有效方法，以低成本、高效率的方式提高软骨再生的质量，在软骨缺损修复上具有广阔的应用前景。Zhang等^[33]使用电子束熔化技术(增材制造技术的一种)完成了钛金属骨缺损重建，用于30例接受股骨头坏死手术的患者，随访12个月，术后髋关节Harris评分(人工全髋关节疗效评分)明显升高；随访24个月术后改善率明显提高；试验并没有对照组，所以比较结果没有统计学意义，这就需要做进一步的随机对照试验。但说明增材制造技术在人工关节的制备上是有前景的。

2.4 增材制造技术在脊柱骨缺损中的应用脊柱骨缺损大部分是由脊柱肿瘤导致的，骨缺损形状的复杂性、植入物与椎体的不融合、植入物的沉降或骨缺损与植入物的不匹配导致的脊柱力学性能恢复不良等这些因素都增加了脊柱骨缺损修复的难度，但增材制造制备的人工椎体在取材、工艺方面都较传统假体制备方法有很大的改善，使之适用于脊柱骨缺损。Xu等^[34]为1例患有C₂尤文肉瘤的12岁男孩进行了分期脊柱切除术，以钛合金粉末为原料采用增材制造技术制造个性化人工椎体，来代替C₁-C₃的骨缺损，术后患者恢复顺利，1年无复发，计算机扫描无移位和下沉。表明增材制造技术在脊柱骨缺损中有良好的应用前景，不过目前这方面的研究文献较少，缺乏长期随访资料，其安全性和有效性有待进一步观察和探讨。Choy等^[35]使用增材制造技术制备患者特异性假体修复假性肌源性血管瘤T₉椎体内皮瘤导致的脊柱骨缺损，手术成功后患者在3个月后恢复运动，6个月的放射学随访表明植入物定位良好，并与相邻端板结合。世界环境学会也报告增材制造技术在骶骨脊索瘤骶骨切除重建骨缺损手术中的成功应用^[36]。目前此类临床病例相对较少，缺乏有力的数据，但仍然说明了增材制造技术制备的脊柱骨缺损植入物兼具良好的生物相容性和出色的力学性能。Mobbs等^[37]报道了2例病例，用增材制造技术制备模型用于术前规划和定制骨缺损假体。1例是C₁-C₂脊髓瘤患者接受肿瘤切除和骨缺损重建，另一例是接受设计的钛假体前庭融合器治疗先天脊柱畸形。不仅在术中节约了时间，简化了手术操作，而且在术后9个月和12个月显示骨缺损融合成功，体现出增材制造技术在复杂脊柱骨缺损临床应用方面的优势。尽管该技术是有前途的，但目前的障碍包括假体打印的商业成本以及较难获得高质量的打印机。Xiao等^[38]自2013年3月至2014年6月对5例原发性颈椎恶性骨肿瘤患者采用一期前后联合入路进行整块切除，包括3例软骨肉瘤和2例脊索瘤。由增材制造技术创建术前三维模型，根据这些模型成功地进行了手术，术后对骨缺损切缘、围术期并发症、局部控制率和生存率进行了评估，未观察到脑血管并发症和伤口感染，随访期间未发现骨缺损局部复发或器械失败。这说明虽然在技术上是有挑战性的，但术前的三维打印模型能够更好地理解肿瘤和颈椎之间的关系，并能帮助规划骨缺损外科手术，对颈部原发性骨肿瘤进行整体切除，减少脊柱骨缺损并发症。结核性骨缺损的成功修复对骨关节结核的外科治疗极其重要^[39]，因此作者正试图建立一个羊脊柱结核模型，以甲哌力福霉素、外消旋乳酸菌、纳米羟基磷灰石为原料^[40]，并利用增材制造技术制备出与骨结核导致的骨缺损相适应的修复物，最后进行修复物的植入。

2.5 增材制造技术在骨盆骨缺损中的应用骨肿瘤往往是导致骨盆骨缺损的重要原因，骨盆内复杂的三维结构，有限的操作空间以及邻近重要的器官和神经血管结构，提高了骨盆骨肿瘤切除的挑战性，导致了骨盆骨缺损术后的高并发症，而增材制造技术在个性化的植入物设计和术中导航中的应用则可明显降低手术难度和术后并发症。2008年Cartiaux等^[41]证明尽管条件理想，4位经验丰富的外科医生仍无法准确和一致地获得足够的骨盆肿瘤导致的骨缺损切除边缘。而增材制造技术和导航技术的结合在肌肉骨骼肿瘤的管理中可能是有用的^[42]。Gouin等^[43]用集增材制造技术和导航技术为一体的个性化治疗用于11例骨盆肿瘤患者，所有患者的平均手术切缘误差为0.8 mm，均达到无肿瘤切除切缘，减少了骨缺损复发的风险。骨盆肿瘤导致骨缺损的外科治疗往往需要在足够的切除边缘和残余功能之间找到平衡，以精确切除到安全边缘来减少骨缺损局部复发的风险。Wong等^[44]利用增材制造脊柱设计定制的植入物和集增材制造技术和导航技术为一体的个性化治疗，为骨盆软骨肉瘤患者再现了计划的切除，骨缺损切缘清晰，手术切除和种植体位置误差与术前计划相差1-4 mm。术后11个月无肿瘤复发和植骨松动。Chen等^[45]结合导航技术和增材制造脊柱重建骨缺损技术，开发了一种新型的3D打印植入物导航系统，并显示植入精度提高3-5倍[(0.75±0.180) mm(有导航)和(3.13±1.28) mm(无导航)]，明显降低了骨缺损治疗的并发症和复发风险。Liang等^[46]在2013年9月至2015年12月记录35例接受盆腔肿瘤切除并利用增材制造技术进行骨缺损重建的患者，平均随访20.5个月，25例患者无疾病迹象存活，5例有疾病存活，5例死于转移性疾病。这说明了增材制造技术的应用可以促进种植体与宿主骨之间的精确匹配和骨整合，而且是安全的，没有短期并发症。但此研究的不足是随访时间过短，一些在术后几年才出现的并发症无法评估。Iqbal等^[47]用增材制造技术为骨肉瘤患者制备半骨盆假体，并成功修复骨盆骨缺损，增材制造技术在植入物上的精确制造减少了患者感染、脱位等并发症的风险。但是由于骨盆骨及其固定系统的复杂性，对骨缺损修复后新的骨盆的固定效果和生物力学的研究相对较少。综上所述，近年来的技术进步使得导航和增材制造技术成为复杂的骨盆肿瘤导致的骨缺损外科治疗中有力的辅助手段。

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增材制造技术在骨缺损修复治疗中的应用

Application of additive manufacturing technology in bone defects

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