基于3D打印的个体化钛修复体对幼兔颅面骨发育的研究

张 毅,王 蕾,孙卫兵,王天乐

1.南通大学第二附属医院神经外科,南通 226001; 2.南通大学第二附属医院急诊中心,南通 226001;3.南通大学人体解剖学教研室,南通 226001; 4.南通大学第二附属医院影像科,南通 226001

近年来运用三维(3D)打印技术进行的个体化骨性修复体已被证明在成人颅面骨精准修复中存在独特的优越性,但是否对被修复骨的生长发育产生影响尚不明确。本研究将12只幼年新西兰兔纳入研究,对钛修复体植入后幼兔颅面骨植入侧及对侧进行骨面形态发育对比分析,研究钛修补颅骨缺损后是否对颅面骨生长发育产生影响,为个体化钛修复体用于早期儿童及婴幼儿颅骨缺损修补中是否可行提供依据。

1 资料和方法

1.1 实验对象

实验动物选用普通级、健康新西兰兔(6周龄,n=12),雄性,体质量(1.0±0.3) kg,身体健康,由南通大学医学院动物实验中心提供,许可证号SCXK(苏):2008-0010。实验动物饲养于单独的笼内,并可在笼内自由走动,个体化纯钛修复体的化学成分符合中国国家标准《外科植入物用钛及钛合金加工材》(GB/T 13810-2007)。

1.2 实验方法

1.2.1 颅骨缺损模型制作

将新西兰兔置于固定仪上[1]。10%水合氯醛(l mL/kg)耳缘静脉麻醉,根据麻醉情况追加。麻醉成功后,头部毛发备皮,常规术区消毒,铺巾,美蓝标记正中矢状线、冠状缝,沿正中线进行头皮切开,显露兔的冠状缝,运用直径1.5 mm电钻于冠状缝后钻 0.5 cm,应用咬骨钳咬开宽约1.5 cm,向前下延伸至眶缘,造成长约2 cm的颅骨缺损,缺损范围包括局部顶骨、大面积额骨及局部眶骨,操作中避免损伤矢状窦及保证硬脑膜完整性。纱布按压止血,冲洗伤口,缝合头皮,再次消毒。全部模型完成后分笼单独饲养,术后7 d内青霉素200 000 U/kg,bid,肌内注射以预防切口感染;注意观察伤口并定期换药,7 d切口拆线。

1.2.2 修补手术方法

所有新西兰兔颅骨缺损术后2周行颅骨钛网修补。沿手术切口瘢痕切开新西兰兔颅骨皮肤和皮下组织,彻底止血缺损创面,充分暴露骨窗及其边缘后,取3D打印辅助钛网,剪裁钛网超出缺损区域1～2 mm,四周用钛钉固定在颅骨骨缘上,分层缝合头皮,加压包扎术处。术后7 d内常规青霉素200 000 U/kg,bid,肌注预防切口感染,7 d切口拆线。

1.2.3 3D打印辅助钛网的制作

实施修补术前12只新西兰兔进行全颅螺旋CT薄层无间距扫描,根据扫描数据获得的颅骨图像以DICOM格式进行保存,通过Mimics 15.0软件处理并构建3D颅骨立体模型,然后利用MakerWare软件,通过SD数据卡转换为STL格式,传递给Makerbot Replicator 2 3D打印机,通过加热溶解生物降解塑料聚乳酸 (polylactic acid,PLA)细丝,并由喷头喷出熔融沉积快速成型。利用3D重建立体解剖模型,利用钛修复体进行新西兰幼兔颅骨缺损修补,观察修复体与骨性缺损边缘的契合程度,匹配成功则进行钛网个体化制作 (图1)。

1.2.4 颅面骨标本的采集和干颅制作

图1 个体化钛修复体及3D立体颅骨模型

在钛修复体植入术后16周(兔龄24周)时结束观察。通过静脉麻醉(速眠新1.6～1.8 mL/kg)后取兔右下肢腹股沟平行切口,逐层切开充分暴露股动脉,切开放血并持续局部水流冲洗,待兔子心跳停止后取俯卧位,于冠状及正中矢状位切开头皮及皮下各层,颅骨表面沿鼻骨末端至枕骨大孔,包括两侧附着的颞肌一并进行剥除。肉眼可见钛修复体被纤维结缔组织包裹,两者结合相当紧密、不易分离。剥离表面组织后可见少量新生骨附着于钛板表面。在颅骨及颈椎的寰枕关节处进行离断并剥离骨表面附着组织,充分暴露颅面骨,自枕骨大孔取出脑内容物。剥离后的颅面骨在开水中煮沸至少半小时,去除标本表面残余的软组织后晾干。

1.2.5 颅面骨性标志点的选择

具体如下:鼻根点(A);颅顶点(B);颅后点(C);上颌额点(D);额骨颧突末端点(E);眶下点(F);外听道口(G);各标记点在标本表面的具体位置见示意图(图2)。

1.2.6 标志点距离的测量

运用游标卡尺进行相关标记点之间的直线距离测量(精确到0.02 mm)。分别测量骨损修复侧(左侧)及健侧(右侧)A-D、A-E、A-F、E-F、E-C、B-G的距离。具体测量结果见表1。

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 一般情况

新西兰兔术后当天饮水,术后第2天可进食精细草料,切口术后1周愈合良好,未发现局部的明显炎症反应,观察术处未见明显皮下积液、颅脑感染、硬膜外血肿、钛网松动、外露等,且饮食如常,笼内能活动自如。术后体质量(1.2±0.4)kg 较术前体质量对比无统计学差异(P>0.05)。

2.2 骨性距离术后比较

通过对新西兰兔颅骨缺损修复个体化修复体植入后16周的左侧和右侧的6组标记点距离的测量比较,A-D、A-E、A-F、E-F、E-C、B-G均有显著统计学差异(P<0.05),见表1。

2.3 骨性距离术前、术后比较

对修复体植入术前、术后16周的左侧进行上述6组标记点距离的测量比较,结果显示均存在统计学差异(P<0.05),见表2。

A:鼻根点;B:颅顶点;C:颅后点;D:上颌额点;E:额骨颧突末端点;F:眶下点;G:外听道口

标记点之间的距离左侧/mm右侧/mmt值P值A-D14.70±0.5315.32±0.722.40<0.05A-E37.32±1.3639.14±1.423.21<0.01A-F26.38±0.8128.10±0.934.83<0.01E-F33.22±1.0535.24±1.523.79<0.01E-C23.50±0.9525.18±1.253.77<0.01B-G34.28±1.2136.16±1.363.58<0.01

表2 左侧标记点之间距离测量值的比较

3 讨论

去骨瓣颅骨减压成形术是改善患者颅内压、维持颅腔密闭性以及修补美观性的重要措施。通过颅骨成形术有助于提高认知行为能力,对于恢复脑血流和稳定大脑代谢平衡尤为重要[2]。有学者认为,大骨瓣减压术较常规骨瓣减压术能充分暴露手术视野,彻底清除坏死组织,持续减压效果良好,且可降低切口疝发生率,降低颅内出血感染风险[3]。目前最常用于颅骨成形术的材料是钛网,它具有良好的生物相容性和低成本。钛网为低感染率,强度、生物相容性和术后成像技术的适宜性提供了良好的选择[4]。

自从临床采用钛网及钛钉固定颅骨缺损修补以来,其适用范围日益增加。目前越来越多的领域开始关注尚处在发育阶段的儿童甚至是婴幼儿颅面畸形中使用坚强内固定技术的可行性[5]。生长发育期患者是否具备坚强内固定技术的适应证,对生长发育期颅面骨骼是否有抑制,目前学术界存在不同意见[6]。本研究认为,当钛网修补毗邻颅缝的时候,个体化钛修复体会显著限制修补侧颅骨的发育。

我们在前期研究中认为,利用3D打印辅助技术能高度恢复新西兰兔颅骨正常3D解剖结构及容积,术中直接衔接骨窗边缘,少量钛钉即可牢靠固定,阻力小,塑形满意较高,同时显著缩短全麻时间,易于术后恢复。本研究将幼年新西兰兔纳为研究对象,建立6周龄兔的颅骨缺损模型,运用3D打印技术预制新西兰兔颅面骨个体化钛合金修复体,在进行颅骨缺损精准修补后,探讨钛网植入是否干扰新西兰幼兔颅面骨的生长和发育。选择在幼兔发育到24周时处死,留取标本观察,是考虑到24周左右新西兰兔颅面部骨骼能完全发育成熟。若在同一实验动物制备两个颅骨缺损模型,可减少动物的使用数量,进行自身对照研究则可降低个体差异性的干扰,但由于颅骨双侧的两个缺损彼此存在,可能两者之间进行扩散和交换,不同程度上会相互干扰两个缺损处的颅骨修复和细胞再生,故本研究选择制造单侧(左侧)的颅面骨缺损,并与健侧(右侧)的颅面骨的生长发育形态对比,同时在术后测定体质量发现与术前相比差异无统计学意义,提示实验偏倚得到控制。颅骨缺损的范围包括局部眶骨、大部分额骨及部分顶骨。二次手术中轻柔操作,掌握麻醉深度,造模顺利。术后无明显感染、皮下积液、硬膜下出血、钛网外露等严重并发症,且钛修复体植入后在兔子的生长过程中未观察到明显性情改变或行为异常等反常情况。

对新西兰兔颅面骨标本标记点进行双侧距离测量,同时对于术前术后各标记点进行统计学比较(表1,2),结果显示术后双侧骨性标记点及术前术后左侧标记点距离的比较均有统计学差异(P<0.05),但右侧未手术区域进行标记点距离测量无统计学差异(P>0.05)。其中A-D、A-E距离主要反映兔子额骨眶部的发育情况;A-F、E-F距离反映额骨眶部的高度;E-C距离反映颅骨长径;B-G距离反映颅骨的高度。将修补侧及健侧的6组测量数值分别进行比较分析。认为A-D、A-E这2个测量值存在差异提示钛修复体植入侧额骨眶部发育较健侧显著迟缓(P<0.05);E-C的数值比较存在差异提示植入侧颅骨长径明显短于健侧(P<0.01);同样,B-G的测量值存在差异提示植入侧颅骨高度显著短于健侧(P<0.01)。通过上述各测量数据的对比分析,考虑钛修复体在植入新西兰兔的颅骨缺损后,阻碍了修补侧颅面骨的发育,造成了双侧颅面部的不对称畸形,影响外形美观的同时某种程度上影响了脑组织的生长发育。胎儿时期颅骨的体积约占成年人的2/3,学龄期颅骨的体积可发育至成人的90%[7]。骨骼的发育过程相当复杂,尤其是颌面部,始于胎儿两个月左右,胰岛素样生长因子(IGF)主要调节细胞生长增殖,成骨中心来源于供血丰富的骨髓间充质细胞及结缔组织[8]。本研究中钛修复体的植入骑跨冠状缝,阻碍了颅缝毗邻骨块的被动生长分离,影响了颅缝处新生骨的形成,最终出现双侧颅骨的不对称畸形发育。其次本实验中观察术处未见明显皮下积液、颅脑感染、硬膜外血肿、钛网松动、外露等,且术处钛网植入边缘组织未见明显充血、变性及坏死改变等。提示钛网植入术操作本身是相对安全的,术后对于实验动物的生活未造成影响。

这一结果自然引出了一系列的后续问题,在临床中运用钛网进行儿童及婴幼儿颅骨缺损修补时需慎重选择。本研究仅对新西兰幼兔颅面骨形态发育进行试验观察,然而临床中钛植入修补手术在还原颅腔封闭解剖立体空间结构,解决初期缺损区缺乏对脑组织的有效屏障保护的同时是否对脑细胞的生长发育、脑血流循环、脑脊液循环造成影响及影响的程度如何,另外钛修复体植入是否对脑细胞的电生理活动、内分泌腺代谢产生影响,这些问题答案尚不明确,未来我们将深入研究。