人工關節置換是治療髖膝關節終末期疾病的有效方法。過去10～20年間，人工關節置換術在我國發展迅猛，每年有超過20萬患者接受初次髖膝關節置換術，並以20%的速度增長，使患者消除疼痛、恢復行走及運動能力、提高生活質量。然而人工關節假體存在一定的使用壽命，且初期關節置換術技術及假體設計亦尚不完善，術後10～20年即有一定比例的患者因各種原因需要行翻修術。
我國現有已行初次髖膝人工關節置換的患者超過300萬。近年來因各種原因行人工關節翻修術的患者已逐漸增多，並在5～10年內將可預見地大量增加。關節置換翻修給社會帶來不小的經濟負擔，治療常常需要多種術式，住院時間長，長時間的抗生素治療以及康復鍛鍊。但隨著3D打印技術出現，給髖膝關節翻修帶來了新的一條道路。現將髖膝關節翻修中的關鍵問題及3D打印技術在其中的應用進展綜述如下。
髖膝關節翻修的主要原因
髖膝關節翻修的原因可分為三大類:關節內生物力學原因、關節內生物學原因、關節外原因。主要包括:關節置換術後感染、假體無菌性鬆動、假體周圍骨折、關節不穩定和關節活動受限等。但早期與晚期患者行翻修術的主要原因不同，早期行翻修術的主要原因是關節置換術後感染、假體周圍骨折、關節不穩定；而晚期行翻修術的主要原因為無菌性鬆動、假體的磨損。
髖膝關節翻修的關鍵問題
骨缺損 髖膝關節初次置換和翻修的目標都是保證關節的穩定性和減緩關節的疼痛。但是，翻修比初次置換更加的複雜，其中最大的原因是往往需處理嚴重的骨缺損和韌帶止點的破壞。在翻修手術過程中移除骨水泥假體時會引起骨量嚴重丟失，然而假體感染翻修時可能會導致更多的骨量丟失。一旦要將感染的假體移除，就要徹底清除所有壞死組織和感染的骨組織，通常會進一步加重骨缺損。關於骨缺損的分型，膝關節現在普遍使用的是安德森骨科研究所分型系統(AORI)評分進行分型，髖關節通常使用的是Paprosky分型，進而根據不同的分型採用不同的處理方式。
骨移植作為髖膝關節翻修中骨缺損的主要治療方法，移植物的選擇主要包括:自體骨移植、同種異體骨移植、金屬移植物。自體移植骨主要用於輕度的骨缺損，取自於身體其他部位的骨組織，可以是鬆質骨或骨皮質，以及包括骨皮質的鬆質骨組織。從生物學角度來看，新鮮的自體骨擁有最好的適應性，和宿主沒有排斥反應，並且能為骨組織生長提供生長因子，且不會存在移植風險。但有報道，自體骨移植可導致患者取骨處疼痛、存在一定的供區併發症風險，且數量是有限的。
目前同種異體骨在臨床上已得到了廣泛的應用。其主要的優點是有多種的形狀和型號，無需切除自身的組織，避免了取材處的病理變化，並且有骨誘導活性，但是缺乏活細胞，因此較自體骨的成骨活性較差。此外，異體骨移植存在感染疾病的風險，還可能出現免疫移植反應。結構性骨移植可適用於較大的骨缺損。結構性骨移植的主要優點是相對經濟並可以恢復骨量以及韌帶附著點。但是有文獻報道，結構性移植物術後存在較高的併發症率(20%)和失敗率(22.8%)，5年生存期率為67%～92%。裴福興等認為，在翻修中應當儘量減少結構性異體骨移植，髖關節翻修手術中最難處理的問題是連續性中斷型骨缺損，這種類型併發率高，即使採用鋼板固定髖臼的前後柱，並在骨缺損處植骨，但一旦出現癒合不良，所有的固定作用都化為烏有，最後導致翻修失敗。
與結構性移植物相比，模塊化金屬植入材料，特別是鉭金屬具有良好的生物力學特性，接近鬆質骨，並且翻修時無需切除大量的骨組織，術後骨重建的時間較短，但是成本要相對昂貴。近年來，Brown等報道稱79例患者在膝關節翻修中使用多孔鉭金屬後，10例(12%)患者需要行二次翻修手術，37例(45%)患者出現至少一個併發症。
Lachiewicz等通過回顧性研究發現27例患者，因感染、假體鬆動、骨磨損行膝關節翻修術中使用多孔鉭金屬，隨訪7年後發現1例患者需再次翻修，只有1例患者的骨與鉭金屬結合良好。
因此，在重建骨缺損的治療中，並沒有達成一致的意見，鉭金屬相對其他方式而言，目前是一個較為可行的方案。但仍存在外形與缺損不匹配、影響假體固定、初期穩定性差、配件之間存在界面、鬆動失敗率高等因素，限制了金屬移植物的應用。
術前規劃 相對於髖膝關節初次置換，翻修手術更加複雜。目前關節翻修術前計劃中最大的困難是如何明確翻修假體的具體型號。明確假體的型號會有助於選擇合適的工具，使手術時間和骨量丟失，軟組織損傷降到最低。縮短翻修手術時間有助於降低併發症率(深靜脈血栓、出血、心肌梗塞等)，提升患者對手術的耐受能力。通常只有在術中將原移植物去除後才能明確翻修假體型號，當型號不確定，必須要有一個經驗豐富、技藝嫻熟的外科醫生參與手術。擁有良好的術前規劃有助於減少翻修手術後出現各種併發症的可能性。
目前髖膝關節翻修的術前規劃很大部分依賴於影像學手段。X線簡單、經濟，能直觀顯示骨骼結構及假體的位置，但其用於評估骨缺損和假體型號的準確性不高。螺旋CT評估骨缺損相對X線更為敏感，但是不能很好顯示軟組織的改變，不能準確軟組織的損害程度。MRI對軟組織評估有著重要作用，通過不同的序列對軟組織顯像，但MRI對金屬偽影較大，對置換後患者的假體難以清晰顯示。傳統術前規劃，臨床醫生必須依靠影像學的二維、三維圖像，然後通過在腦海構出立體解剖圖像，對骨缺損進行評估。但是，骨骼、軟組織是一個整體，單憑腦海想象難以得到解剖結構、機械應力、缺損範圍等方面的準確信息，特別對於年輕的臨床醫生來說，利用當前的手段難以準確地確定翻修假體的型號。
個性化假體的需求 假體在髖膝關節置換中的應用中，不斷在追求個性化、精確化。從1891年德國醫生Cluck使用象牙做成的股骨頭與髖臼開創了人工關節置換，到1962年為了減少假體間的摩擦，JohnCharnley發明了聚四氟乙烯做髖臼，金屬材料做股骨柄的假體，並取得了巨大的成功。在20世紀70年代，由於骨水泥界面的老化，進而引起假體鬆動，非骨水泥開始興起，但同樣存在假體的問題。於是，為了適應人體的負荷傳導和生物力學環境，開始提倡個性化人工假體。
Aldinger等最早開始應用CT數據來定製髖關節假體，發現這樣可以在相當程度上改善預後和降低併發率。骨吸收和無菌性鬆動是影響假體壽命的主要因素，然而個性化假體可以有效減少和防止骨缺損以及無菌性鬆動。尤其在髖膝關節翻修中，有效減少假體周圍的骨缺損和鬆動將大大降低髖膝關節二次翻修的可能性。在髖膝關節翻修過程中，不可避免地導致關節骨量丟失，以及假體周圍骨折後導致關節存在不規則，這些因素將導致術中假體的型號不確定，普通型號的假體不再適應每位患者的情況。因此翻修術中由於患者型號的差別、骨缺損造成缺損形狀不規則，這將為手術帶來非常大的難度，不能準確為患者換上個體化的假體，進一步下肢力線糾正，重新讓患者下肢功能恢復。
假體周圍骨折 隨著人工髖膝關節技術開展的普及，已成為髖膝關節疾病的標準手術治療策略，大部分患者初次置換後，關節功能都能夠得到明顯的改善。但術後由於下肢應力的改變和骨質疏鬆，假體周圍骨折的病例日趨多見。臨床上常常會碰到一些複雜的假體周圍骨折手術。關節置換術後發生假體周圍骨折，往往復位困難，對骨折復位的要求更高，手術要依靠術者的經驗和手術技巧來完成，耗時較長，術後併發症多，內固定物的植入需要靠醫生的解剖知識、手術經驗來完成。每個個體之間存在差異，有時候會出現螺釘進入關節腔的情況，不僅增加了手術時間，還增大了患者術中X線的暴露。因此複製損傷部位的骨骼模型及個性化內固定材料設計對臨床醫生十分重要。
3D打印技術在髖膝關節翻修術中的應用
近30年來骨科醫療技術已經有了快速的進步:從開放手術到微創手術，從人工假體的研發到正在研發的高科技模擬器。最近一個具有創新性的事件是3D打印技術的應用。它給組織工程、假體設計製造帶來了革命性的改變，併成為了骨科手術的一部分。與傳統消材、減材相反，3D打印技術是在三維數字模型的基礎上採用逐層製造將材料堆積起來的新型技術，不僅可在術前給手術醫生複製出骨骼模型，還可以為患者定製個性化假體修復骨缺損，目前已經在人工髖膝關節置換及翻修中得到應用。
骨缺損 前面已經敘述骨缺損是髖膝關節翻修中對於骨科醫生來說最大的困難，骨移植是目前使用最多的治療方法，通過移植骨來保證重建術後假體穩定性。骨移植材料用的最多的是自體骨移植、同種異體骨移植、金屬移植物。
3D打印技術作為一種新型技術開始得到了廣泛的認可，可用於生產有生物特性的可以調控孔徑大小、孔隙率分佈的組織工程材料，為組織再生提供支架。最近，已有報道使用3D打印技術生物活力良好製備大孔隙凝膠甲基丙烯酰胺，並有人使用3D打印技術聯合多孔仿生技術製作出個性化下頜骨假體，使植入物不僅具有精良的三維空間結構，其內部微孔結構還具有極好的生物相容性，有利於細胞的粘附和增殖，使活體骨與假體牢固地結合起來，促進骨組織修復。
目前β-TCP成為了3D打印的主要生產材料，其具有良好的生物性能，不僅可以促進細胞增殖以及長入孔隙中，還可以通過製造出不同孔隙率的假體。此外，β-磷酸鈣能通過加入SrO和MgO來改變材料的性能，這樣用β-磷酸鈣打印可以根據需要出不同性能的假體。此外隨著技術的發展，3D打印材料不僅促進骨癒合，而且可以將藥物，例如萬古黴素混合在打印粉末當中，通過低溫打印可以確保藥物的作用，打印出來的假體具有良好的抗菌作用。
導航模塊及術前規劃 隨著3D打印技術在骨科的應用越來越廣泛，其在髖膝關節翻修中的應用也有良好的前景。傳統手術利用髓內外定位導向裝置進行定位截骨，術中需要開放股骨、脛骨髓腔進行定位，不可避免地存在一定的誤差。定製導航截骨板，術中安裝簡單，無需安裝定位器，能明顯減少術中出血量並減少循環系統血栓的形成，可減少肺栓塞等併發症的發生。髖膝翻修手術的療效很大程度上決定於術前準備及手術操作，通過常規影像學檢查獲取患者的髖膝關節數據，在計算機軟件的輔助下將數據轉化為三維模型，通過3D打印製作術中的截骨導板，有可能是一種減少髖膝關節置換或翻修的手術時間及出血量，提高假體生存率及膝關節功能的有效方法。
潘偉等術前利用CT及MRI掃描，建立膝關節3D解剖模型並模擬手術及設計導板，術中引導截骨來治療脛骨近端惡性腫瘤16例，術後隨訪31個月，無假體鬆動、感染等併發症發生。劉峰等通過對照實驗，實驗組15例，利用CT掃描數據，計算機3D建模，利用3D打印快速成型技術打印實體的截骨切模，術中引導行膝關節置換，對照組14例使用傳統手術方法，術後3個月發現實驗組手術時間、術中出血、術後引流量均明顯低於對照組，紐約特種外科醫院膝關節功能評分(HSS)明顯高於對照組。吳東迎等通過對照實驗，實驗組應用3D打印技術製作截骨模板，對照組使用傳統截骨模板，術後實驗組在膝關節活動度、HSS評分、下肢力線均明顯優於對照組。
在髖膝關節翻修中，3D打印技術因其可以為患者“量身定製”個體化模型，使關節翻修中假體型號的選擇、假體安放位置的準確性以及畸形的矯正程度等技術難題得到解決。而製作截骨模板進行髖膝關節翻修將會減少手術創傷、縮短手術時間、減少術中出血量和降低併發症發生率等，提高患者預後。
個性化假體 髖膝關節置換或翻修後，維持生物型假體長期穩定性的最重要因素是假體表面與骨界面之間的長入狀況。傳統假體表面的處理技術有多種，早期有鈦粉噴塗、鈦珠燒結、金屬絲編制等，其最大的缺點就是孔隙率不足、孔徑不均一，不利於骨長入。鉭金屬骨小樑因其孔徑大小、孔隙率、彈性模量接近於正常鬆質骨，在臨床上廣泛應用。
但鉭金屬骨小樑微孔塗層採用傳統燒結技術，通過燒結、噴塗等表面處理技術將假體與表面塗層相結合，假體和塗層之間不免存在力學薄弱地帶，粘接強度偏低，在長期使用過程中有可能發生表面塗層部分脫落，進而造成假體鬆動等需要翻修的情況。3D打印技術可運用粉末金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體，不需在傳統的機械加工和進行模具切割等，可直接由計算機制作出零件的圖形和3D數據，從而極大地縮短產品的研製週期，提高生產率和降低生產成本。國內外臨床已經開始使用3D打印技術，進行個性化假體的製作、應用。程文俊等在全髖關節置換術中採用3D打印技術製作的鈦合金骨小樑金屬臼杯，他們認為這種3D打印假體的初始穩定性及早期骨長入良好，短期療效滿意。
在一些特異性高的手術上，3D打印技術不僅可以模擬骨骼實體，還可以根據手術要求製備個體化手術器械。Lee等應用該技術製備了個體化股骨假體和股骨髓腔導向器，使手術更精準，成功為2例石骨症患者施行人工全髖關節置換術。He等利用3D打印技術製備了半膝關節和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結成型技術製備出個體化鈦鋁合金半膝關節和多孔生物陶瓷人工骨，並將組裝後的複合半膝關節假體植入患者體內，術後隨訪表明該複合半膝關節假體與周圍組織、骨骼匹配良好，並且具有足夠的機械強度。劉勝厚等通過利用術前影像學數據，利用3D打印技術繪製個體化Cage的設計圖紙，工廠按照圖紙進行製造Cage實物，成功對假體鬆動的患者進行膝關節置換，術後患者HSS評分85分，功能恢復良好，1年未見關節假體鬆動。
假體周圍骨折 3D打印技術很好地幫助臨床醫生解決假體骨折問題，通過3D模型可充分了解假體周圍骨折情況，選擇合適的術式、以及確定假體的大小、完善術前計劃，製作術中進行手術導航、引導內固定物植入的導板，進而減少手術時間、出血量，幫助臨床醫生做出更好的決策。Xu等在10例髖關節翻修術前1∶1打印出骨盆的模型，通過在模型上實驗，選擇合適的髖臼杯，進而減少術中手術時間和出血量，術後沒有發生關節再次翻修，關節功能評分得到了顯著的提高。
Won等利用3D打印技術製作患者髖臼模型，為21例髖關節嚴重畸形患者制定手術方案並施行了人工全髖關節置換術，明顯縮短了手術時間、出血量，術後影像學檢查結果證實假體組件均按計劃精確植入。此外，3D打印技術針對複雜骨折患者，相對於傳統骨折固定方法有著明顯的優勢。曾參軍等用3D打印技術在術前製作出骨盆骨折的模型，Mimics軟件虛擬鋼板最佳位置，現實中將鋼板進行預彎，在體外進行模擬手術，術者在術中能得心應手從而能減少手術誤差。臨床上，髖膝關節翻修術中也會有假體周圍骨折的患者，同樣也需要對骨折進行固定，應用3D打印技術將可大大降低手術的難度，通過術前模擬術中精準固定，相對於傳統手術，不僅可減少手術時間，還可提高鋼板與骨面的敷貼能力，改善患者的預後功能。
3D打印技術的應用前景
隨著3D打印的技術不斷髮展，成本越來越低，打印的速度越來越快，操作越來越簡單，在術前打印3D模型、術前模擬、術中指導、假體移植成為必要。在觀察患處解剖、病理方面，雖然CT和MRI影像學技術是不可替代的，但是建立3D模型，可以為外科醫生治療提供最佳方案。此外，運用這些影像學技術，可以在模型用不同的顏色表示不同的組織。這樣能使得隱藏在假體下的情況，更加直觀的反映在醫生的眼前，從而使得手術流程更加的流暢，進而減少手術時間，提高患者預後。在術中，3D打印技術可以打印出導航模板，可以更加精確在髖膝關節翻修中截取出需要的骨平面，進而利用3D打印技術，打印出所需的個性化假體，假體材料表面孔隙率更加符合要求，讓骨細胞更好的分化、增殖等。
儘管3D打印技術在目前仍存在侷限性，但其在未來髖膝關節翻修發展中必會起到決定性的作用。目前在生物醫學領域，3D打印技術已被應用於器官模型的製造與手術分析策劃，個性化組織工程支架材料和假體植入物的製造，以及細胞或組織打印等方面。3D打印技術被廣泛應用於組織工程骨和軟骨研究領域，在關節外科修復重建領域展示了良好的應用。採用3D打印技術製備的組織工程支架材料不僅具有與缺損組織相匹配的解剖外形，同時也具有滿足細胞黏附、增殖的內部多孔結構。
3D打印是一項振奮人心的技術，給以往困難棘手的問題提供了一項新的解決方法，給髖膝關節置換翻修手術提供一條全新的道路。
作者:南方醫科大學第三附屬醫院 趙暢
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