3D打印技术应用于成年人手指关节置换术研究分析

严 纯 孙达锋 张维亚

手指关节创伤属于临床最为常见的骨科疾病，多数为创伤或者疾病导致手指关节的畸形与关节功能障碍，随着病情进展影响患者关节功能，对患者生活质量和身心健康产生严重的影响。目前，临床治疗手指关节创伤的方法包括开展移植关节手术、关节成形手术以及关节置换手术等，目的是恢复患者手指关节功能[1]。

近年来，随着现代医学的飞速发展以及对手指关节解剖学的深入研究，传统的人工假体材料在设计和远期效果上得到明显的改善，伴随医疗技术的发展，3D打印技术在骨科广泛应用，具备精准化、个体化以及成本低等优势，在人工假体中的应用发挥了重要作用[2]。本研究探讨3D打印技术在手指关节置换中的效果，以期为临床提供指导和依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性选取2016年5月至2017年8月在海安市人民医院治疗的46例(50指)掌指关节损伤患者，根据患者最终选取的治疗方案将其分为观察组(22例23指)和对照组(24例27指)。观察组中男性13例，女性9例；年龄20～59岁，平均年龄(34.44±7.65)岁；体质量指数(body mass index，BMI)(22.19±2.39)kg/m2；外伤史(9.63±1.12)月。对照组中男性14例，女性10例；年龄19～56岁，平均年龄(33.20±8.03)岁；BMI(23.02±2.80)kg/m2；外伤史(9.30±1.25)月。两组患者一般资料比较差异无统计学意义，具有可比性。所有患者及家属均知情同意。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准:①年龄＞18岁；②均因外伤所致，外伤史＞6个月；③均为单手损伤。

(2)排除标准:①伤口迁延不愈或有感染；②有前壁外在肌或手部内在肌严重损伤粘连；③有上肢运动神经损伤；④有血液系统疾病、恶性肿瘤及肝肾功能障碍等其他严重疾病。

1.3 仪器与试剂

Brilliance 64排128层螺旋CT(荷兰飞利浦公司)；FDM 3D打印机计算机系统(南京积亿医疗科技有限公司)；65～120 mm UHS01镍钛记忆合金接骨器(湖州天鹅生物记忆医疗器械有限公司)；HBS-1096C酶联免疫吸附法测定仪(南京凯基生物科技发展有限公司)；试剂为南京凯基生物科技发展有限公司提供。

1.4 治疗方法及随访

(1)对照组:给予常规手指关节置换术，患者平卧，患肢外展，在指间关节背侧的关节作弧形切口，暴露关节囊后对粘连组织和不平整关节进行复位和切除，暴露患者掌侧后调整伸肌腱的张力并将远端骨质切除，钻头扩髓后进入到皮质，对远端、近端指骨的长度将假体进行修整，将假体金属柄置入远端的髓腔，高分子聚合物柄端置入近端髓腔，准入骨水泥后止血并进行8字缝合，采取弹力加压绷带进行包扎。术后给予患者功能训练指导。

(2)观察组:手指关节置换术应用3D打印技术，术前采用64排128层螺旋CT开展检查，配备3D打印机和计算机系统，安装三维重建软件，打印材料选取聚乳酸，CT扫描后进行重建，选取镍钛记忆合金接骨器扫描并进行数据记录，在计算机上对数据进行处理开展三维重建，通过提取轮廓得到骨的蒙板，获取肋骨接骨器的蒙板，完成区域增长以及编辑处理，在计算机上生产三维模型，包括手指关节模型、皮肤三维模型以及接骨器三维模型，将模型进行形态学优化，制作模型后按照对照组手术方法进行假体安装。术后给予患者功能训练指导。

1.5 检测方法

抽取患者空腹静脉血3 ml，离心后分离血清待检，采用酶联免疫吸附法测定患者白细胞介素6(interleukin，IL-6)和IL-10浓度水平变化，所有试剂按照说明书严格操作。

1.6 判断标准

(1)疗效判断:①优，关节活动度为正常侧80%以上，关节活动时无疼痛；②良，关节活动度为正常侧50%～79%，关节活动时偶有疼痛；③可，关节活动度为正常侧50%以下，关节活动时无疼痛；④差，关节无活动度或关节部有疼痛。

(2)疼痛评分:疼痛程度采用视觉模拟评分法(VAS)，分数为0～10分，分数越高，疼痛越严重。

1.7 统计学方法

采用SPSS19.0软件进行数据分析，BMI、年龄、关节活动度等资料采用表示，所有计量资料均呈正态分布或近似正态分布，组间比较使用t检验，性别比较使用x2检验，治疗疗效采用秩和检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组治疗疗效比较

观察组22例患者的治疗效果中，优10例，良8例，可4例，差0例，优良率达到81.82%。对照组24例患者的治疗效果中，优5例，良6例，可7例，差6例，优良率为45.8%，观察组优良率显著高于对照组，两组比较差异有统计学意义(Z=-2.680，P＜0.05)。

表2 两组掌指关节损伤患者手术前后IL-6和IL-10比较(pg/ml，±s)

表2 两组掌指关节损伤患者手术前后IL-6和IL-10比较(pg/ml，±s)

注：表中IL-6为白细胞介素-6；IL-10为白细胞介素-10

2.2 两组手术前后关节活动度比较

观察组和对照组术后关节活动度明显较术前改善；观察组术后12个月关节活动度明显高于对照组，两组比较差异有统计学意义(t=2.753，P＜0.05)，见表1。

表1 两组掌指关节损伤患者手术前后关节活动度比较(°，±s)

表1 两组掌指关节损伤患者手术前后关节活动度比较(°，±s)

2.3 两组术后VAS评分比较

观察组术后VAS评分为(1.82±0.32)分，明显低于对照组的(2.66±0.41)分，两组比较差异有统计学意义(t=-7.696，P＜0.05)。

2.4 两组手术前后IL-6和IL-10比较

观察组和对照组术后3 d的IL-6和IL-10均较术前升高，其差异有统计学意义(t观察组=-6.264、t=-9.229，t对照组=-8.065、t=-10.451；P＜0.05)；观察组与对照组术前和术后3 d的IL-6和IL-10比较差异无统计学意义(tIL-6=0.722、t=-0.963，tIL-10=-0.319、t=-1.194；P＞0.05)。见表2。

3 讨论

手部外伤是手外科最为常见的疾病，会导致患者手部畸形与功能损伤，也是目前手外科最为常见的疾病，临床处理极为棘手。目前，对手部关节功能重建主要采用自体吻合血管关节移植，但是在治疗期间由于自体关节来源问题、供应区域的结构问题等均导致了治疗存在困难[3]。随着现代医疗技术的飞速发展，人工关节置换手术已成为重要的方法，可以明显恢复患者关节活动度，克服了传统自体关节移植存在的供源不足问题，有效的弥补了关节融合过程中带来的关节僵硬和活动范围小的缺点[4-5]。研究发现，通过采取人工关节置换方式优势明显，可以将关节骨量最大限度的保留，手术过程中仅需去除关节表面的骨质，有助于后期人工关节置换手术开展，同时可以最大限度的将关节周围软组织进行保留，对于维持关节的正常解剖关系具有重要意义[6]。人工假体的置入体积相对较小，将关节表面进行覆盖，方便取出，对于日后翻修的难度较低，也不会造成关节血液运行的破坏，有助于后期骨质愈合，稳定程度较高[7]。但是，在开展人工手指关节置换期间也存在一定的劣势，部分患者存在假体磨损、松动，导致临床开展再次手术，同时磨损的颗粒也会导致反应性的滑膜炎和接触面骨质吸收。目前临床较为先进的是使用硅胶假体，但是远期随访观察部分患者仍然会出现骨质进行性破坏、滑膜炎、关节进行性僵硬等并发症，主要的原因是假体本身设计可能存在一定的问题[8-9]。人工假体应具备良好的生物相容性，弹性模量要接近人体手部皮质骨与密度，目前使用的多为金属材料，而且在制造过程中要根据材料的性能进行假体部件的设计，提供更好的强度、耐磨损以及质量轻的假体[10]。

近年来，随着现代技术的发展，3D打印技术在医学领域广泛开展应用，通过3D技术制作模型可以快速将假体模型进行制作，同时开展术前模拟、术中指导以及改进植入物，广泛的在临床开展应用[11]。本研究中观察了3D打印技术应用在成年人手指关节置换手术中一方面实现了术前规划的完善，通过CT、计算机模拟可以进行骨折复位、假体设计等过程，通过三维重建能够获取更为详细的解剖信息，医师可以完成术前模拟演练、确定手术切口的联系，方便医师掌握手术操作的安全性与操作的精准性[12]。此外，开展手术过程中医师可以随时对参考模型进行观察，减少手术出血，缩短手术时间，降低手术医源性损伤与术后并发症发生。

3D打印技术更符合现代医学的理念，可以最大程度实现个体化、精准化的治疗，实现了手指关节置换的“私人定制”，拉近了和患者及家属之间沟通的距离，通过计算基模拟可以为患者讲解手术方法和过程，争取了患者治疗依从性，拉近了医患之间距离[13]。本研究观察了手术过程中患者体内白细胞介素因子变化情况，其中IL-6属于重要的炎症细胞因子，生物学活性广泛，在人体创伤与修复过程中能够激活中性粒细胞，加速了创伤后炎症介质释放，同时对促进创伤后炎症反应发生具有重要意义；IL-10则可以抑制多种促炎性细胞因子形成，同时间接抑制自然杀伤细胞活性，属于重要的抗炎症反应因子[14-15]。本研究显示，观察组和对照组术后3 d的IL-6和IL-10均较术前升高；观察组和对照组术前和术后3 d的IL-6和IL-10比较差异无统计学意义，表明采用3D打印技术应用于成年人手指关节置换术中不会增加患者体内炎症反应程度，应用可靠。

本研究显示，观察组治疗疗效优于对照组，其优良率达到81.82%，表明采用3D打印技术应用于成年人手指关节置换术效果优于传统假体置换手术。观察组和对照组术后关节活动度明显较术前改善，观察组术后12个月关节活动度明显高于对照组，表明采用3D打印技术应用于成年人手指关节置换术中可以明显改善患者关节活动功能。观察组术后VAS评分明显低于对照组，表明采用3D打印技术应用于成年人手指关节置换术中可以显著减轻患者疼痛程度。本研究优势在于证实了3D打印技术在手指关节置换中的应用前景，能够获取更可靠的假体置换效果，为临床选择治疗方案奠定了基础，但是本研究随访时间短，纳入患者数量有限，还需要进一步进行大样本量长期随访深入观察。

3D打印技术应用于成年人手指关节置换术有较好的效果，具有临床应用价值。