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髋膝关节翻修术中的关键问题及3D打印应对之策

时间:2017-07-25 20:42 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:

    人工关节置换是治疗髋膝关节终末期疾病的有效方法。过去10~20年间,人工关节置换术在我国发展迅猛,每年有超过20万患者接受初次髋膝关节置换术,并以20%的速度增长,使患者消除疼痛、恢复行走及运动能力、提高生活质量。然而人工关节假体存在一定的使用寿命,且初期关节置换术技术及假体设计亦尚不完善,术后10~20年即有一定比例的患者因各种原因需要行翻修术。

    我国现有已行初次髋膝人工关节置换的患者超过300万。近年来因各种原因行人工关节翻修术的患者已逐渐增多,并在5~10年内将可预见地大量增加。关节置换翻修给社会带来不小的经济负担,治疗常常需要多种术式,住院时间长,长时间的抗生素治疗以及康复锻炼。但随着3D打印技术出现,给髋膝关节翻修带来了新的一条道路。现将髋膝关节翻修中的关键问题及3D打印技术在其中的应用进展综述如下。

髋膝关节翻修的主要原因

     髋膝关节翻修的原因可分为三大类:关节内生物力学原因、关节内生物学原因、关节外原因。主要包括:关节置换术后感染、假体无菌性松动、假体周围骨折、关节不稳定和关节活动受限等。但早期与晚期患者行翻修术的主要原因不同,早期行翻修术的主要原因是关节置换术后感染、假体周围骨折、关节不稳定;而晚期行翻修术的主要原因为无菌性松动、假体的磨损。

髋膝关节翻修的关键问题

     骨缺损  髋膝关节初次置换和翻修的目标都是保证关节的稳定性和减缓关节的疼痛。但是,翻修比初次置换更加的复杂,其中最大的原因是往往需处理严重的骨缺损和韧带止点的破坏。在翻修手术过程中移除骨水泥假体时会引起骨量严重丢失,然而假体感染翻修时可能会导致更多的骨量丢失。一旦要将感染的假体移除,就要彻底清除所有坏死组织和感染的骨组织,通常会进一步加重骨缺损。关于骨缺损的分型,膝关节现在普遍使用的是安德森骨科研究所分型系统(AORI)评分进行分型,髋关节通常使用的是Paprosky分型,进而根据不同的分型采用不同的处理方式。

     骨移植作为髋膝关节翻修中骨缺损的主要治疗方法,移植物的选择主要包括:自体骨移植、同种异体骨移植、金属移植物。自体移植骨主要用于轻度的骨缺损,取自于身体其他部位的骨组织,可以是松质骨或骨皮质,以及包括骨皮质的松质骨组织。从生物学角度来看,新鲜的自体骨拥有最好的适应性,和宿主没有排斥反应,并且能为骨组织生长提供生长因子,且不会存在移植风险。但有报道,自体骨移植可导致患者取骨处疼痛、存在一定的供区并发症风险,且数量是有限的。

     目前同种异体骨在临床上已得到了广泛的应用。其主要的优点是有多种的形状和型号,无需切除自身的组织,避免了取材处的病理变化,并且有骨诱导活性,但是缺乏活细胞,因此较自体骨的成骨活性较差。此外,异体骨移植存在感染疾病的风险,还可能出现免疫移植反应。结构性骨移植可适用于较大的骨缺损。结构性骨移植的主要优点是相对经济并可以恢复骨量以及韧带附着点。但是有文献报道,结构性移植物术后存在较高的并发症率(20%)和失败率(22.8%),5年生存期率为67%~92%。裴福兴等认为,在翻修中应当尽量减少结构性异体骨移植,髋关节翻修手术中最难处理的问题是连续性中断型骨缺损,这种类型并发率高,即使采用钢板固定髋臼的前后柱,并在骨缺损处植骨,但一旦出现愈合不良,所有的固定作用都化为乌有,最后导致翻修失败。

     与结构性移植物相比,模块化金属植入材料,特别是钽金属具有良好的生物力学特性,接近松质骨,并且翻修时无需切除大量的骨组织,术后骨重建的时间较短,但是成本要相对昂贵。近年来,Brown等报道称79例患者在膝关节翻修中使用多孔钽金属后,10例(12%)患者需要行二次翻修手术,37例(45%)患者出现至少一个并发症。

     Lachiewicz等通过回顾性研究发现27例患者,因感染、假体松动、骨磨损行膝关节翻修术中使用多孔钽金属,随访7年后发现1例患者需再次翻修,只有1例患者的骨与钽金属结合良好。

因此,在重建骨缺损的治疗中,并没有达成一致的意见,钽金属相对其他方式而言,目前是一个较为可行的方案。但仍存在外形与缺损不匹配、影响假体固定、初期稳定性差、配件之间存在界面、松动失败率高等因素,限制了金属移植物的应用。

术前规划  相对于髋膝关节初次置换,翻修手术更加复杂。目前关节翻修术前计划中最大的困难是如何明确翻修假体的具体型号。明确假体的型号会有助于选择合适的工具,使手术时间和骨量丢失,软组织损伤降到最低。缩短翻修手术时间有助于降低并发症率(深静脉血栓、出血、心肌梗塞等),提升患者对手术的耐受能力。通常只有在术中将原移植物去除后才能明确翻修假体型号,当型号不确定,必须要有一个经验丰富、技艺娴熟的外科医生参与手术。拥有良好的术前规划有助于减少翻修手术后出现各种并发症的可能性。

     目前髋膝关节翻修的术前规划很大部分依赖于影像学手段。X线简单、经济,能直观显示骨骼结构及假体的位置,但其用于评估骨缺损和假体型号的准确性不高。螺旋CT评估骨缺损相对X线更为敏感,但是不能很好显示软组织的改变,不能准确软组织的损害程度。MRI对软组织评估有着重要作用,通过不同的序列对软组织显像,但MRI对金属伪影较大,对置换后患者的假体难以清晰显示。传统术前规划,临床医生必须依靠影像学的二维、三维图像,然后通过在脑海构出立体解剖图像,对骨缺损进行评估。但是,骨骼、软组织是一个整体,单凭脑海想象难以得到解剖结构、机械应力、缺损范围等方面的准确信息,特别对于年轻的临床医生来说,利用当前的手段难以准确地确定翻修假体的型号。

个性化假体的需求  假体在髋膝关节置换中的应用中,不断在追求个性化、精确化。从1891年德国医生Cluck使用象牙做成的股骨头与髋臼开创了人工关节置换,到1962年为了减少假体间的摩擦,JohnCharnley发明了聚四氟乙烯做髋臼,金属材料做股骨柄的假体,并取得了巨大的成功。在20世纪70年代,由于骨水泥界面的老化,进而引起假体松动,非骨水泥开始兴起,但同样存在假体的问题。于是,为了适应人体的负荷传导和生物力学环境,开始提倡个性化人工假体。

      Aldinger等最早开始应用CT数据来定制髋关节假体,发现这样可以在相当程度上改善预后和降低并发率。骨吸收和无菌性松动是影响假体寿命的主要因素,然而个性化假体可以有效减少和防止骨缺损以及无菌性松动。尤其在髋膝关节翻修中,有效减少假体周围的骨缺损和松动将大大降低髋膝关节二次翻修的可能性。在髋膝关节翻修过程中,不可避免地导致关节骨量丢失,以及假体周围骨折后导致关节存在不规则,这些因素将导致术中假体的型号不确定,普通型号的假体不再适应每位患者的情况。因此翻修术中由于患者型号的差别、骨缺损造成缺损形状不规则,这将为手术带来非常大的难度,不能准确为患者换上个体化的假体,进一步下肢力线纠正,重新让患者下肢功能恢复。

假体周围骨折  随着人工髋膝关节技术开展的普及,已成为髋膝关节疾病的标准手术治疗策略,大部分患者初次置换后,关节功能都能够得到明显的改善。但术后由于下肢应力的改变和骨质疏松,假体周围骨折的病例日趋多见。临床上常常会碰到一些复杂的假体周围骨折手术。关节置换术后发生假体周围骨折,往往复位困难,对骨折复位的要求更高,手术要依靠术者的经验和手术技巧来完成,耗时较长,术后并发症多,内固定物的植入需要靠医生的解剖知识、手术经验来完成。每个个体之间存在差异,有时候会出现螺钉进入关节腔的情况,不仅增加了手术时间,还增大了患者术中X线的暴露。因此复制损伤部位的骨骼模型及个性化内固定材料设计对临床医生十分重要。

3D打印技术在髋膝关节翻修术中的应用

     近30年来骨科医疗技术已经有了快速的进步:从开放手术到微创手术,从人工假体的研发到正在研发的高科技模拟器。最近一个具有创新性的事件是3D打印技术的应用。它给组织工程、假体设计制造带来了革命性的改变,并成为了骨科手术的一部分。与传统消材、减材相反,3D打印技术是在三维数字模型的基础上采用逐层制造将材料堆积起来的新型技术,不仅可在术前给手术医生复制出骨骼模型,还可以为患者定制个性化假体修复骨缺损,目前已经在人工髋膝关节置换及翻修中得到应用。

骨缺损  前面已经叙述骨缺损是髋膝关节翻修中对于骨科医生来说最大的困难,骨移植是目前使用最多的治疗方法,通过移植骨来保证重建术后假体稳定性。骨移植材料用的最多的是自体骨移植、同种异体骨移植、金属移植物。

    3D打印技术作为一种新型技术开始得到了广泛的认可,可用于生产有生物特性的可以调控孔径大小、孔隙率分布的组织工程材料,为组织再生提供支架。最近,已有报道使用3D打印技术生物活力良好制备大孔隙凝胶甲基丙烯酰胺,并有人使用3D打印技术联合多孔仿生技术制作出个性化下颌骨假体,使植入物不仅具有精良的三维空间结构,其内部微孔结构还具有极好的生物相容性,有利于细胞的粘附和增殖,使活体骨与假体牢固地结合起来,促进骨组织修复。

    目前β-TCP成为了3D打印的主要生产材料,其具有良好的生物性能,不仅可以促进细胞增殖以及长入孔隙中,还可以通过制造出不同孔隙率的假体。此外,β-磷酸钙能通过加入SrO和MgO来改变材料的性能,这样用β-磷酸钙打印可以根据需要出不同性能的假体。此外随着技术的发展,3D打印材料不仅促进骨愈合,而且可以将药物,例如万古霉素混合在打印粉末当中,通过低温打印可以确保药物的作用,打印出来的假体具有良好的抗菌作用。

导航模块及术前规划  随着3D打印技术在骨科的应用越来越广泛,其在髋膝关节翻修中的应用也有良好的前景。传统手术利用髓内外定位导向装置进行定位截骨,术中需要开放股骨、胫骨髓腔进行定位,不可避免地存在一定的误差。定制导航截骨板,术中安装简单,无需安装定位器,能明显减少术中出血量并减少循环系统血栓的形成,可减少肺栓塞等并发症的发生。髋膝翻修手术的疗效很大程度上决定于术前准备及手术操作,通过常规影像学检查获取患者的髋膝关节数据,在计算机软件的辅助下将数据转化为三维模型,通过3D打印制作术中的截骨导板,有可能是一种减少髋膝关节置换或翻修的手术时间及出血量,提高假体生存率及膝关节功能的有效方法。

     潘伟等术前利用CT及MRI扫描,建立膝关节3D解剖模型并模拟手术及设计导板,术中引导截骨来治疗胫骨近端恶性肿瘤16例,术后随访31个月,无假体松动、感染等并发症发生。刘峰等通过对照实验,实验组15例,利用CT扫描数据,计算机3D建模,利用3D打印快速成型技术打印实体的截骨切模,术中引导行膝关节置换,对照组14例使用传统手术方法,术后3个月发现实验组手术时间、术中出血、术后引流量均明显低于对照组,纽约特种外科医院膝关节功能评分(HSS)明显高于对照组。吴东迎等通过对照实验,实验组应用3D打印技术制作截骨模板,对照组使用传统截骨模板,术后实验组在膝关节活动度、HSS评分、下肢力线均明显优于对照组。

    在髋膝关节翻修中,3D打印技术因其可以为患者“量身定制”个体化模型,使关节翻修中假体型号的选择、假体安放位置的准确性以及畸形的矫正程度等技术难题得到解决。而制作截骨模板进行髋膝关节翻修将会减少手术创伤、缩短手术时间、减少术中出血量和降低并发症发生率等,提高患者预后。

  个性化假体  髋膝关节置换或翻修后,维持生物型假体长期稳定性的最重要因素是假体表面与骨界面之间的长入状况。传统假体表面的处理技术有多种,早期有钛粉喷涂、钛珠烧结、金属丝编制等,其最大的缺点就是孔隙率不足、孔径不均一,不利于骨长入。钽金属骨小梁因其孔径大小、孔隙率、弹性模量接近于正常松质骨,在临床上广泛应用。


但钽金属骨小梁微孔涂层采用传统烧结技术,通过烧结、喷涂等表面处理技术将假体与表面涂层相结合,假体和涂层之间不免存在力学薄弱地带,粘接强度偏低,在长期使用过程中有可能发生表面涂层部分脱落,进而造成假体松动等需要翻修的情况。3D打印技术可运用粉末金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体,不需在传统的机械加工和进行模具切割等,可直接由计算机制作出零件的图形和3D数据,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。国内外临床已经开始使用3D打印技术,进行个性化假体的制作、应用。程文俊等在全髋关节置换术中采用3D打印技术制作的钛合金骨小梁金属臼杯,他们认为这种3D打印假体的初始稳定性及早期骨长入良好,短期疗效满意。


在一些特异性高的手术上,3D打印技术不仅可以模拟骨骼实体,还可以根据手术要求制备个体化手术器械。Lee等应用该技术制备了个体化股骨假体和股骨髓腔导向器,使手术更精准,成功为2例石骨症患者施行人工全髋关节置换术。He等利用3D打印技术制备了半膝关节和人工骨模具,分别通过快速铸造和粉末烧结成型技术制备出个体化钛铝合金半膝关节和多孔生物陶瓷人工骨,并将组装后的复合半膝关节假体植入患者体内,术后随访表明该复合半膝关节假体与周围组织、骨骼匹配良好,并且具有足够的机械强度。刘胜厚等通过利用术前影像学数据,利用3D打印技术绘制个体化Cage的设计图纸,工厂按照图纸进行制造Cage实物,成功对假体松动的患者进行膝关节置换,术后患者HSS评分85分,功能恢复良好,1年未见关节假体松动。


假体周围骨折  3D打印技术很好地帮助临床医生解决假体骨折问题,通过3D模型可充分了解假体周围骨折情况,选择合适的术式、以及确定假体的大小、完善术前计划,制作术中进行手术导航、引导内固定物植入的导板,进而减少手术时间、出血量,帮助临床医生做出更好的决策。Xu等在10例髋关节翻修术前1∶1打印出骨盆的模型,通过在模型上实验,选择合适的髋臼杯,进而减少术中手术时间和出血量,术后没有发生关节再次翻修,关节功能评分得到了显著的提高。


Won等利用3D打印技术制作患者髋臼模型,为21例髋关节严重畸形患者制定手术方案并施行了人工全髋关节置换术,明显缩短了手术时间、出血量,术后影像学检查结果证实假体组件均按计划精确植入。此外,3D打印技术针对复杂骨折患者,相对于传统骨折固定方法有着明显的优势。曾参军等用3D打印技术在术前制作出骨盆骨折的模型,Mimics软件虚拟钢板最佳位置,现实中将钢板进行预弯,在体外进行模拟手术,术者在术中能得心应手从而能减少手术误差。临床上,髋膝关节翻修术中也会有假体周围骨折的患者,同样也需要对骨折进行固定,应用3D打印技术将可大大降低手术的难度,通过术前模拟术中精准固定,相对于传统手术,不仅可减少手术时间,还可提高钢板与骨面的敷贴能力,改善患者的预后功能。


3D打印技术的应用前景


随着3D打印的技术不断发展,成本越来越低,打印的速度越来越快,操作越来越简单,在术前打印3D模型、术前模拟、术中指导、假体移植成为必要。在观察患处解剖、病理方面,虽然CT和MRI影像学技术是不可替代的,但是建立3D模型,可以为外科医生治疗提供最佳方案。此外,运用这些影像学技术,可以在模型用不同的颜色表示不同的组织。这样能使得隐藏在假体下的情况,更加直观的反映在医生的眼前,从而使得手术流程更加的流畅,进而减少手术时间,提高患者预后。在术中,3D打印技术可以打印出导航模板,可以更加精确在髋膝关节翻修中截取出需要的骨平面,进而利用3D打印技术,打印出所需的个性化假体,假体材料表面孔隙率更加符合要求,让骨细胞更好的分化、增殖等。


尽管3D打印技术在目前仍存在局限性,但其在未来髋膝关节翻修发展中必会起到决定性的作用。目前在生物医学领域,3D打印技术已被应用于器官模型的制造与手术分析策划,个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造,以及细胞或组织打印等方面。3D打印技术被广泛应用于组织工程骨和软骨研究领域,在关节外科修复重建领域展示了良好的应用。采用3D打印技术制备的组织工程支架材料不仅具有与缺损组织相匹配的解剖外形,同时也具有满足细胞黏附、增殖的内部多孔结构。


3D打印是一项振奋人心的技术,给以往困难棘手的问题提供了一项新的解决方法,给髋膝关节置换翻修手术提供一条全新的道路。

(责任编辑:中国3D打印机网)