3D打印技术在骨肿瘤手术应用中的研究进展

谭海涛 陈国平 张其标

作者单位：537100 贵港 1贵港市人民医院骨科；2广西数字医学与3D打印临床医学研究中心

骨肿瘤以四肢最常见，其中以肩、膝关节周围骨肿瘤为主，骨盆、脊柱肿瘤次之。骨科恶性肿瘤一般体积大，周围侵犯程度广，加之异质性显著，肿瘤切除和功能重建极具挑战性。传统术前评估骨肿瘤实际位置、范围和边界主要依据影像资料，术中结合术者目测、经验进行肿瘤病灶切除，再通过自体或异体骨、骨水泥及标准骨肿瘤假体进行骨缺损和肢体功能重建，难以做到个体化，面临肿瘤完整切除、骨缺损修补与肢体功能重建等难题。3D打印技术又称为“增材制造”或“快速成型”技术，是利用一种以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，通过逐层打印的方式来构造物体的技术［1-2］。该技术在临床实践中获得巨大成功，已被应用于口腔颌面外科、骨科、肝胆外科及血管外科等临床医学领域，并将继续成为未来人体病损修复重建的重要方向和研究热点［3-4］。3D打印技术在骨肿瘤领域中的应用也逐渐受到关注，在辅助骨肿瘤精准切除、个体化修复骨缺陷以及实现肿瘤假体个性化设计与安装等方面凸显优势，有效提高了骨肿瘤外科的治疗水平［5-6］。本文就3D打印技术在骨肿瘤手术治疗中实现个体化修复重建的应用研究进展进行综述。

1 骨肿瘤模型个体化

骨肿瘤大多局部解剖复杂，尤其常见的骨盆、膝关节、肩关节周围肿瘤毗邻重要器官，通过影像资料和术中判断，难以直接、立体化地界定肿瘤三维空间位置，无法精准把握病灶切除范围，往往导致病灶清除过多或不足，肿瘤易复发或功能重建困难。3D打印技术可直接成型1∶1的个性化、立体化解剖实物模型，3D打印的骨肿瘤模型已广泛应用于术前病灶空间关系的评估、手术模拟、医患沟通和临床教学等方面。传统的骨肿瘤手术往往从术前影像片中获取信息，对骨科医师读片水平、手术技巧及立体对位要求较为苛刻。而相比单纯依靠影像片、术者空间想象、经验目测方法，3D打印的骨肿瘤模型不仅可以客观反映患者的疾病状态，术者也可以更直观、全面地观察局部毗邻的神经、血管等重要解剖结构的三维空间关系，从而达到快速、准确识别肿瘤位置、边界和范围。孔金海等［7］回顾性分析3D打印模型在31例脊索瘤治疗中的应用效果，其中3D打印模型中显示肿瘤累及Ⅰ区11例，累及Ⅱ区15例，累及Ⅲ区5例，经过术中验证与实际病灶分区一致，提示术前个体化模型有利于骨肿瘤的快速定位，安全、有效地辅助术中完整沿边界切除瘤体，减少毗邻重要血管、神经的损伤。在手术模拟方面，3D打印的个体化骨肿瘤模型不仅可以更直观、全面地界定肿瘤边界，还可以反复进行手术规划、操作模拟，以反复论证并确认最佳手术方案［8］。HAN等［9］采用三维打印技术治疗1例周围股骨骨折后巨大骨缺损，通过3D打印的股骨缺损模型模拟定制假体植入，采用术前模拟方案，术后骨与软组织肿瘤协会（musculo skeletal tumor society，MSTS）93评分满意，功能恢复良好。因此认为，采用3D打印模型进行术前设计和仿真，提前观察计划的手术干预，分析患者特定的解剖延伸，可以提供更准确的手术效果，适合于复杂、重症患者。此外，3D打印模型可用于医患沟通，个体化、直观立体的模型可让患者更清晰地了解自身病情，提高对疾病的认识，从而促进有效沟通［10］。3D打印骨肿瘤模型还被广泛用于教学中，且取得良好的教学效果。多项研究报道，利用3D打印骨肿瘤模型，有效提高了学生学习兴趣、积极性及满意度，从而提升整体教学质量［11-12］。

2 导航模板个体化

病灶准确完整切除是骨肿瘤个体化修复重建的关键环节，3D打印技术制作的导航模板基于数字化精准设计，可达到一次性准确截骨目的，避免因把握不准而重复截骨，能一定程度上简化切除肿瘤、截骨等操作有关，不仅有利于肿瘤病灶的准确完整切除，也可保证手术疗效及提高手术效率。曲扬等［13］利用3D打印技术制作个体化导航模板指导10例Ⅰ区和9例Ⅱ区骨盆肿瘤手术，结果可有效实现不同种类及发病阶段骨盆肿瘤的完整切除，保证假体和骨盆局部解剖结构的完美匹配。纪玉清等［14］采用3D打印的个体化截骨导航模板，也成功辅助实施了30例股骨远端骨肉瘤肿瘤切除及假体重建术，并减少手术时间、出血量，取得良好疗效。黄敏强等［15］通过个体化导航模板辅助全膝关节假体重建术治疗膝关节周围恶性骨肿瘤21例，末次随访时MSTS功能评分中，试验组股骨远端及胫骨近端评分均优于对照组［（28.91±2.23）分 vs（23.68±4.37）分，（27.68±3.48）分 vs（22.24±5.29）分，P＜0.01］，膝关节主动屈伸活动度亦高于对照组（115.45°±12.25°vs 101.49°±11.96°，P＜0.001］，也显示可辅助肿瘤精确、完整切除，能改善患者关节功能。

3D打印技术个性化定制的导航模板也可应用于术前诊断。曲扬等［16］通过3D打印技术个性化定制导航模板，成功实施11例骨肿瘤的准确穿刺活检，其中8例穿刺送检组织与术后病理良恶性结果基本一致，2例穿刺病理诊断为良性肿瘤，l例穿刺未找到恶性肿瘤细胞，切除术后病理为纤维肉瘤，进针方位深度均与术前设计方案一致，且术中无重要解剖结构损伤，术后未出现血管、神经损伤症状，明显提升了骨肿瘤术前诊断的准确性，说明了3D打印个体化导航模板能提高术前诊断的精准度和改善术后功能。李承铎等［17］借助3D打印髋臼导板成功辅助20例骨盆肿瘤整块切除，分析其精准性，发现试验组的平均线性差距明显小于对照组［（3.8±1.9）cm vs（8.7±1.0）cm，P=0.001］。由此可见，3D打印技术制作的导航模板具有明显的个体化、精准化特征，不仅可有效地切除病灶，减少复发，还可以尽可能多地保留机体健康骨组织，从而有利于下一步肢体重建，改善患者术后肢体功能。

3 肿瘤假体个体化

骨肿瘤一般瘤体巨大，且常出现局部破坏性生长，易侵袭邻近器官组织，甚至出现肿瘤包绕周围血管、神经，肿瘤切除后若没有标准假体匹配，按传统术式往往需要截肢，加之骨肿瘤具有高度异质性，因此骨肿瘤的保肢手术治疗中常面临两大挑战：一是彻底切除肿瘤又尽量保留正常组织，二是切除病灶后骨缺损的个体化修补和肢体功能重建。3D打印的个体化肿瘤假体内植入物具有形态适配个体化和表面骨长入的优点，可用于修复重建骨肿瘤切除后留下的缺损，也是解决以上两大挑战的理想手段。

3D打印的肿瘤假体内植入物具有高度的个体化和完美的解剖匹配特性。XU等［18］观察1例儿童C2尤因肉瘤切除术后植入3D打印定制的椎体，不仅可恢复肿瘤切除后留下的特定解剖缺损结构，术后1年CT检查未见肿瘤复发，假体未见下沉或移位，骨整合良好。李卡等［19］使用3D打印的个体化假体治疗1例右股骨中下段骨肉瘤患儿，术后1.5年CT显示假体位置与周围骨质高度嵌合，膝关节活动范围正常，MSTS评分29分，肢体功能满意。付军等［20］应用3D打印钛合金假体，结合带血管蒂腓骨及生物陶瓷的方式治疗下肢长节段骨缺损5例，平均随访6.4个月，均未见局部复发及肺转移，MSTS评分为17～26分，2例带血管蒂腓骨移植者术后3个月骨扫描证实腓骨血运良好，1例股骨假体近端固定钉孔的第2枚螺钉发生断裂，但未影响稳定性，其余所有病例下肢功能良好。可见此类假体的个体化特性能与人体的解剖结构高度契合，并与正常组织融为一体，既填充了骨缺损的空间，又具有支撑作用，为患肢功能恢复奠定基础。

3D打印的肿瘤假体内植入物另一优势体现在骨长入效果满意。CHOY等［21］使用三维打印钛T9椎体植入术后T9椎体切除原发性骨肿瘤修复骨缺损，该假体特点为多孔钛终板，更适合解剖结构，也有助于上下椎体间的骨融合。梁海杰等［22］应用3D打印半骨盆骨接触面的多孔结构假体治疗有40例骨盆Ⅱ区或Ⅱ＋Ⅲ区骨盆肿瘤，术后6个月复查CT，测量患侧骶髂关节间隙并与健侧比较，结果显示3D打印半骨盆假体可维持骶髂关节稳定性，且未增加额外并发症。也有3D打印肿瘤假体应用于肩关节周围肿瘤的报道。DENG等［23］采用三维打印技术设计了与肿瘤相对应的个性化假体，完成了肿瘤切除后骨长入型个性化假体植入和肩袖重建，术后随访32个月，骨与假体表面融合良好，且未见肿瘤复发。

3D打印的肿瘤假体有助于实现种植体的个性化设计和肿瘤切除后的精确重建，实现更好的生物固定和早期功能恢复。但也存在一定局限性［24］：⑴在全球范围内尚无统一、标准及规范的共识。⑵通过3D打印成型的假体在强度、生物力学特性和相容性等方面并非全部优于标准化肿瘤假体；由于目前只有部分3D打印内植入物需获得特定许可证后才能植入人体，因此也面临伦理审查和法律方面问题。⑶个体化假体的设计、打印时间及经济成本高昂，不利于广泛普及应用。因此，未来应提高产、学、研的资源整合，结合医工交叉等措施进一步降低时间、经济成本，让3D打印个性化金属内置物广泛应用于临床骨肿瘤治疗。

4 骨组织工程支架生物3D打印个体化

目前，临床上骨缺损修补的方法主要有自体骨移植、异体骨移植和人工材料。自体骨具有最佳的生物匹配，但会造成机体二次创伤，且骨缺损较大时无法满足临床需要；异体骨经处理后生物特性接近自体骨，且可按需取量，但属于异物，感染风险值得警惕［25］；而传统铸造的标准假体缺乏个体化，与人体解剖匹配性欠佳。生物3D打印是快速成型技术中的一种，可将生物材料和“生物墨水”进行自动化、精细化叠加，从而制造个体化的骨组织工程支架、脏器甚至生命体等制品，实现组织功能化。近年来，骨组织工程在骨缺损修复中的优势凸显，可填充缺损、骨长入及呈递生物活性分子［26］。支架是骨组织工程的主要元素之一，生物3D打印技术可以实现工程支架的个体化，从而制作完美匹配骨缺损的人工骨组织或骨诱导长入支架［27-28］，这也是实现骨组织工程重建最重要和有效的手段［29］。CASTRO等［30］通过快速成型技术打印骨诱导支架，结果发现骨组织在支架的增殖和黏附良好，组织学分析显示有新骨形成，提示该支架可作为较好的骨生长基体，诱导骨形成，促进骨缺损修复。胡露等［31］报道通过生物3D打印的聚乳酸-羟基乙酸共聚物/硅酸钙复合多孔支架具有良好的体外降解性能、力学性能及生物相容性，形态与骨缺损部位在解剖上能达到高度匹配。此外，还有研究报道，3D打印的骨组织工程支架空隙孔径可保证提供良好的骨再生微生态环境，有利于骨组织生长以及血管新生［32-33］。因此，生物3D打印技术在生物工程支架方面具有广阔的推广前景，此类支架具有明显良好的生物相容性、骨诱导性和降解性，通过生物3D打印的支架与骨缺损局部能达到完美匹配，是骨肿瘤个体化修复重建的体现之一。但不可否认的是，3D生物打印技术仍不成熟，且存在费用昂贵、时效性差及材料选择受限制等因素，因此仍需加快相关领域的研究，才能真正助力骨肿瘤治疗。

5 小结

3D打印技术贯穿于骨肿瘤修复重建的术前评估、规划及术中操作，骨肿瘤解剖模型的个体化为骨肿瘤位置、范围评估提供三维立体平台，有利于肿瘤边界确定，为准确、完整切除病灶奠定基础；导航模板的个体化特性则有利于辅助指导术中精确完整切除肿瘤并尽量保留正常组织；3D打印的肿瘤假体内植入物和骨组织工程支架则是骨肿瘤修复重建术中个体化体现的关键，植入物与骨缺损局部高度匹配，同时兼具传统肿瘤假体强度、生物力学、人体生物相容性优点，而骨组织工程支架具有更好的生物相容性、骨诱导性及降解性，有效提高了内植入物与人体组织整合，使重建患肢功能最优化。但是3D打印技术应用于骨肿瘤外科也存在一定局限性，未来仍需形成相应技术规范、共识，同时降低经济和时间成本，开发更多的新型材料，以提高骨肿瘤外科的治疗水平，让更多的患者获益。