髋关节翻修中髋臼骨缺损的处理现状及3D打印的应用

曹国定，裴豫琦，李旭升，刘鹏，封国超，李鹏，刘军

(1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000；2.中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院关节外科，甘肃 兰州 730050)

人工关节置换是治疗终末期髋关节疾病的有效方法之一。人工髋关节置换使患者疼痛缓解、行走及运动能力恢复、生活质量显著提高。然而因人工关节假体使用有一定的年限，且初期假体设计亦尚不完善，术后因应力遮挡、机械因素、骨坏死、骨溶解、术后感染、患者依从性差、过早下床等因素使假体发生脱位、感染、松动[1-3]，不得不对髋关节进行翻修。不论是哪种因素导致的髋臼骨缺损，缺损部位和程度在翻修术中都对植入物的充分固定、正确对线和稳定韧带产生影响[1]。髋臼缺损处置不当必使植入物发生骨质溶解、支撑不足、应力遮挡，从而加重髋臼骨缺损，致使翻修失败。如何处理髋臼骨缺损尤其严重的骨缺损是髋关节翻修术的重点及难点[1，4-5]。处理髋臼骨缺损的目的旨在使下肢力线、关节线高度达到精确，以期达到良好的初始稳定性，继而使植入物获得即刻负重和假体长期稳定[6-7]。以往术者依据患者X线片和CT影像结果，对髋臼骨量骨质、感染状况、周围神经血管进行预估评判。在术中根据患者的具体实际情况临时做出选择并植入相应的假体，耗时耗力，且很大程度上取决于术者的主观判断，致使关节翻修术后关节功能依然有不同程度的障碍。这可能与术中对软组织的平衡、假体位置摆放、截骨位置等精准度有着一定关系，使髋关节翻修术后远期疗效明显低于初次全髋关节置换术[8-9]。然而，3D打印技术在外科领域的发展为髋关节翻修中处理髋臼骨缺损带来了新的方向。

1 髋关节翻修中髋臼骨缺损的处理现状

关节翻修需处理严重的骨缺损和修复韧带止点，使关节翻修比初次置换显得更加复杂。关节周围骨量的丢失对关节的稳定提出挑战，发生假体感染时，被迫移除假体的同时也需彻底清除可疑感染组织，这会使骨量进一步丢失。目前髋关节翻修中骨缺损的主要处理方法包括：骨移植、超大臼杯、多孔金属垫块、加强杯、骨水泥填充。

1.1 骨移植

1.1.1 自体移植骨 自体移植骨是取自身其他部位的骨组织移到缺损处，移植物可以是松质骨或骨皮质。自体骨有优越的适应性，没有排斥反应，此外能为骨组织的愈合生长提供生长因子，且不存在移植风险，主要用于轻度骨缺损的修复[10]。然而，自体骨的骨源有限，移植后可导致取骨处疼痛，存在一定的供区并发症风险。

1.1.2 同种异体骨 同种异体骨因其来源广、数量充足、无需切除自身骨组织、取用方便等优点，在临床上已得到广泛应用。但是骨传导及骨诱导作用不如自体骨，因此较自体骨的成骨活性较差[10]。此外，同种异体骨移植有可能出现免疫移植反应。有学者认为应用大量异体骨移植处理大面积的骨缺损不能获得良好的初始稳定性，并且容易发生假体松动和骨吸收，但是有待确凿的理论依据进一步证实[11]。

1.1.3 结构性骨移植 结构性骨移植适用于较大骨缺损。然而文献报道结构性骨移植修复髋臼骨缺损后容易出现移植骨被吸收、骨不愈合、移植骨骨折等，导致假体松动。在许多病例中，不论是自体的还是异体的较大的结构性移植骨，在骨融合的过程中只在移植骨外层的几毫米处发生骨愈合，移植骨中心却遗留骨坏死[12]。在骨愈合的后期将难以避免地出现移植骨塌陷、吸收、移位，最终导致翻修失败。

1.2 大号生物型臼杯 Jumbo臼杯对Paprosky Ⅱ型及以上的髋臼骨缺损进行翻修，有效扩大臼杯与髋臼接触面积，使其拥有较好的骨长入及初始稳定性，减少植骨量，使髋关节的旋转中心尽可能的恢复解剖位置[2，13]。使用Jumbo臼杯需要满足髋臼后柱的完整性、宿主骨的接触面积>50%、有良好的髋臼环抱力使假体具有足够的初始稳定性。对于髋臼前后柱、后壁存在明显骨缺损者，因其不能提供强有力、稳定的支撑，不适宜选择Jumbo臼杯，而应选择加强环或者钛网重建[12，14]。

1.3 钽金属垫块 近年来发展起来的坦金属垫块比较有优势，具有良好的生物力学特性，接近松质骨。其微孔率可达75%～80%，有较大的骨长入面积和较高的摩擦系数，避免骨移植物溶解并提供良好的初始稳定性。唐中尧等[15]用钽金属垫块重建了Poprosky Ⅲ型髋臼缺损，平均随访36个月后，7例放射性松动，1例患者因感染而康复。2例患者无菌松动，其余患者取得了良好的短期和中期结果。相关研究表明，使用髋臼填充块可明显降低翻修率，适合术中复杂多变的髋臼缺损，骨长入良好，假体初始稳定型可。多孔钽金属加强块重建Ⅱ、Ⅲ 型 Paprosky 髋臼骨缺损主要的并发症发生率较低，但术区感染、假体无菌性松动、髋关节脱位和血管神经损伤是较常见的并发症。

1.4 加强杯 处理髋臼上壁严重缺损或骨盆不连续病例时，单纯的大杯或垫块无法获得即刻稳定性，这时需要借用髋臼加强结构，如加强杯和髋臼支架等。其连接髂骨和坐骨作为新杯和宿主骨的应力传递介质，分散髋部应力并保护骨移植物不被吸收[14]。Villatte等[16]报道了使用在一个中心重建57例严重髋臼缺损(Paprosky分型2B～3B)，术后2年Harris评分由术前36分增至72分，仅1例因无菌松动移位进行再次翻修，短期生存率为89%。髋臼加强杯重建严重髋臼缺损或骨盆不连续可以获得不错的临床效果，但因髋臼加强杯无坦金属垫块的微孔结构，无法获得骨长入，远期失败率较高，疗效仍需长期随访[10]。

1.5 骨水泥髋臼假体 目前髋臼侧翻修选择生物型假体已经成为主流的重建手段。但某些情况下，高龄患者的重度骨质疏松症，骨水泥型固定仍然是不错的选择。尤其是某些Poprosky Ⅲ型重度骨缺损的病例中，骨水泥型固定效果优于生物性固定。如果髋臼组件与宿主骨之间的接触面积为50%，生物假体重建髋臼是不错的选择[11-12，14]；相反，可以考虑修复骨水泥髋臼假体。尽管骨水泥技术在不断改进，术后骨水泥与骨界面的固定也有所改善，然而早期髋关节翻修术中采用骨水泥髋臼假体效果不理想。

2 3D打印技术在髋关节翻修术中处理髋臼缺损的应用

2.1 制作髋臼骨缺损模型 髋关节置换术后翻修是以恢复髋关节正常的支撑力、活动度及稳定性为目的，其中假体生理结构的精确恢复极其重要。初次置换术改变了正常的股骨与髋关节的解剖形态，为重建髋关节的精确度带来极大挑战[17]。3D打印技术制作髋臼骨缺损模型可以让术者直观地了解髋臼骨缺损三维立体形态和邻近组织的解剖关系，定制个体化髋臼骨缺损假体行术前模拟，提高翻修假体的匹配效率和稳定性[18]。何勇等[19]对8例髋关节感染翻修患者通过3D打印技术成功设计制作骨缺损模型及抗生素骨水泥占位器，控制感染效果及翻修效果良好，手术时间明显缩短，随访中Harris评分明显提高，取得了满意的临床疗效。Xu等[2]在10例髋关节翻修术中通过3D打印制备1∶1骨盆模型，直观地判断局部重要的神经血管走形，在模型上反复实验，选择合适的植入物，减少手术时间和出血量，术后随访关节无移位、松动，关节功能评分得到了显著的提高。

2.2 定制个性化髋臼翻修假体 3D打印技术依据患者髋臼骨缺损的解剖结构，定制个性化的金属髋臼翻修假体，对髋臼旋转中心的重建有着很高的精确度。王金有等[20]使用3D打印技术、定制个体化的金属髋臼假体，对paproskyⅢ型翻修髋臼骨缺损患者实施救治，随访6个月中无假体周围感染、假体松动、脱位、断裂、周围骨骨折等并发症，Harris评分增高，VAS评分降低，末次随访中Harris评分为85分，VAS评分为0分。此外夏志勇等[21]根据术前3D打印模型评估髋臼骨质缺损情况，设计并打印与患者高度吻合的定制钛合金骨小梁金属臼杯、垫块假体，重建骨缺损，缩短手术时间，降低并发症，远期效果良好。

2.3 定制个体化髋臼加强环 髋臼大块骨缺损及与骨盆的连续性中断时，通过特殊构造的髋臼组件或使用特殊的三维多孔材料来控制，这些材料模拟骨骼结构并允许更快更好的内置假体-骨骼整合[7，22-23]。使用骨小梁金属髋臼杯或骨小梁金属增强物的形式恢复髋臼的连续性和完整性，从而为髋臼假体的固定提供支撑点。传统的髋臼加强环形状和尺寸单一，不能与实际髋臼骨缺损形状和大小匹配，不能提供长期生物固定，缺少多孔涂层等[24]。3D打印技术为患者定制髋臼加强环，提供多孔涂层，利于髋臼骨缺损的完全修补、促进骨长入、使假体具备初始稳定性及长期稳定性[9，25]。付君等[22]运用3D打印制备多孔钛合金加强块修复髋臼骨缺损，术后患侧髋关节的功能明显改善，术前平均HHS评分44.0分，末次随访时改善至84.3分，这与李珏宏等[25]报道的2例应用3D打印垫块重建髋臼骨缺损的疗效相当。3D打印金属加强块术中放置简单、磨锉残余骨量较少，此外还可以与多孔金属涂层的生物型臼杯配合使用，外形匹配理想[26]。

2.4 制作抗生素骨水泥关节间隔器 髋关节置换术后感染常常是导致关节置换失败的灾难性并发症，死骨碎片促使细菌大量繁殖导致骨质败血症，骨不连或延迟愈合，髋关节置换术后感染发生率高，严重降低邻近关节功能，延长治疗周期[27]。髋关节置换术后发生感染，假体将被迫移除，致使置换术失败，给患者及家庭在精神上和经济上带来巨大负担。如何处理置换术后感染发生、缩短治疗周期并积极行二期关节翻修仍然是一个永远存在的问题[28]。目前对关节置换术后发生感染的处理方法有假体去除、关节旷置、抗感染治疗、待感染控制后二期行翻修术，然而关节旷置后出现关节囊挛缩将不便于二期行翻修手术，影响术后患肢功能[29]。感染后二期翻修是目前根治感染最有效的方法，是治疗髋关节置换术后感染发生的金标准[44]。置入抗生素骨水泥临时间隔器可控制局部感染，同时保持肢体长度，增加稳定性，减少骨和软组织的挛缩，为后续二期修复创造条件，降低骨缺损感染率[27，30]。目前手工制作的抗生素骨水泥占位器很多，包括术中临时制作的占位器及Link感染治疗型占位器。Link感染治疗型占位器操作简便，费用较高，仅适用于轻微感染、两次手术间隔期、对患肢功能要求较高的患者[31]。最新研究报道的利用3D打印技术制作抗生素骨水泥关节间隔器，在治疗髋关节置换后发生感染中疗效显著。术前依据患者的髋关节CT扫描数据重建人工关节及周围骨质形态，再结合3D打印技术可制备出扫描重建后的髋关节模型，以髋关节模型制作临时间隔器，在初始清创期间将抗生素负载的骨水泥间隔物插入骨缺损区域，以骨水泥间隔器发挥持续、高浓度局部释放抗生素的作用机制控制关节周围感染[31-32]，待感染控制后行髋关节翻修。孙海滨等[30]对髋关节置换术后发生感染的患者行清创和抗生素治疗，插入3D打印技术制作的临时抗生素骨水泥占位器，术后根据细菌培养及药敏试验结果给予抗生素治疗，待感染控制后进行二期翻修术，除去载有抗生素的骨水泥间隔物，并用新的假体或人工关节成形术修复局部骨缺损，术后给予常规抗生素，随访中骨愈合良好，无感染复发、窦道形成和其他并发症。对于感染髋关节术后感染的成功治疗，核心问题是消除感染并尽快让骨愈合而没有缺陷，同时确保可靠的稳定性[30，33]。3D打印间隔物在积极有效控制局部感染的基础上，保持患肢长度，增加髋关节的稳定性，减少术后骨和软组织挛缩，为第二阶段最终重建创造条件[30]。3D打印制备抗生素骨水泥间隔器填充关节间隙并完成对骨缺损的修复重建，降低感染率，缩短治疗周期，为快速治疗复杂性关节术后感染提供一种新的治疗方式[30，32]。

2.5 制定导航模块及术前规划 髋臼翻修术中假体臼杯的放置在技术上是困难的，正常的解剖学界标被遮挡、髋臼骨量不足、股骨解剖异常、颈轴角度和外翻方向增加、前倾角增加，肌肉挛缩和腿长差异在调整假体臼杯尺寸、倾斜度、前倾角和覆盖范围时需要精细平衡[7，34-35]。研究者利用患者术前采集的三维CT数据设计出假体的最佳固定方向，提取患者髋臼表面解剖形态合成定位模板，在快速成型制作完成后，术中按照导航模板指引可快速确定真臼位置，按照预先角度打磨髋臼可明显缩短手术时间，手术精度进一步提高，取得了很好疗效[36-37]。以往髋关节翻修术前设计骨缺损的大小、直径和长度依赖于术前CT和X线片图像并结合术中具体情况，根据CT和X线片扫描的影像测量骨缺损的体积，得出的数据是垂直距离[9]。实际上股骨存在一定角度的弯曲，根据CT和X线片选择的骨缺损支架长度将出现不等的情况，使用3D打印技术制造髋关节骨缺损模型及术中导航板，对实际情况进行推断并选择合适的翻修假体，提前确定假体的安放位置，尝试手术预演，加强术者对重要解剖的认识[3，35-37]。3D打印技术制作导航模板在髋关节翻修术中对髋臼骨缺损进行全面衡量，规划手术方案，缩短手术时间，降低术后并发症的发生[21，38]。

3 3D打印在髋关节翻修术中处理髋臼缺损的挑战

3.1 特殊情况处理 3D打印实现了髋关节翻修术前对所需髋臼骨缺损的等比例打印，真实再现髋臼骨缺损实体模型，为术中操作提供了细致方案，提高术中操作准确性。但对于复杂的髋臼大块骨缺，髋臼假体突入盆腔、螺钉断裂、合并感染、骨质疏松、假体周围骨折，更需要术前精确测量计算髋臼骨缺损的大小、形态，设计手术的入路及锚定点，以及考虑术中如何准确安放，仍然是目前3D打印技术在髋关节翻修处理骨缺损存在的巨大挑战[6，22，38]。

3.2 支架生物相容性 新型髋关节翻修治疗器材的生物相容性仍有待进一步提高。生物医用材料用于机体需满足材料结构和性能稳定的条件。3D打印过程是否会改变原料的生物安全性，植入人体后是否会因材料的有毒成分对人体组织造成损害，依然是医学领域中的焦点话题[38]。

3.3 安全充足的打印材料 国内髋关节翻修的患者逐年增加，对假体数量的需求及安全需求也在增加[3]，打印材料必将面临着从简单逐步过度到具有特定生物活性和功能的生物打印材料的困难[39]。3D打印材料的研究目前尚处于基础阶段，用于3D打印的材料多为高分子、金属等可黏合材料。大部分的打印原料难以满足高精尖的骨组织生物工程，急需研发更为安全的材料。生物材料如活体细胞等依然处于研究实验，进一步的完善成熟很大程度对材料选择和制造工艺改进提出了更高要求[40]。

3.4 基础研究向临床应用的转变 3D生物打印在传统的3D打印基础上，引入细胞生物学和组织工程学概念，在打印支架材料的同时将细胞、生长因子等添加剂复合，打印出具备再生功能的活体支架，达到修复和替换病变组织和器官的目的[41]。作为21世纪快速扩张的、新兴的、最具发展前景、富有生命力的3D生物打印技术，在动物实验中已获得很大突破。但构建的生物打印组织中细胞间能否进行信号传导，人工血管能否长入并存活，局部药物递送系统中药物释放剂量是否稳定，组织能否表达正常表达功能，依然是从研究实验转向人体治疗的技术难题[42]。

3.5 批量生产的条件限制 3D打印技术最早被应用于工程学而非医学领域，在骨组织工程支架的构建和研究中，材料、机械、电子、化学、医学、医疗器械等领域都有被涉及，而当前骨组织工程技术中医学研究人员的研究专业较为独立，交叉比较少，缺乏交叉学科建设人才，这也是3D打印技术广泛应用于骨组织工程领域中急需解决的问题之一[36，40]。其他还有打印成本和速度的限制，3D打印技术在临床中的普及，设备和材料费相对较高，不易实现大批量集中生产。

4 展 望

髋关节翻修患者的髋臼骨缺损程度不同，解剖形态不同，治疗器材和选用假体也不尽相同。在当代医学个体化治疗、精准医疗等治疗理念的影响下，对髋关节翻修中合理处理髋臼骨缺损提出更高要求。相比于首次髋关节置换术，髋关节翻修术难度明显提高，术中修补骨缺损或取出假体时不可避免地出现无法预料的状况，术后发生并发症的概率较高，翻修不佳则严重影响患者的远期疗效及生理功能[9，34，38]。3D打印技术的出现一定程度解决了上述问题，在髋关节翻修中处理髋臼骨缺损领域具有独特优势。3D打印技术因个性设计、快速成型等特点，根据患者的骨缺损情况和局部解剖形态和结构，定制个性化的髋臼骨缺损模型，并利用建模的结果进行实体打印个体化髋臼假体、髋臼加强环、关节感染后的临时间隔器等实体材料。模型的建立为术中选择适宜假体及预防突发事件做足了准备，体外模拟手术过程，熟悉复杂解剖位置，降低术中血管神经组织损伤，减少了不必要的假体调试，缩短手术时间，降低手术成本，多方面提高髋关节翻修处理髋臼骨缺损手术治愈率及预后恢复水平，有效避免了多次翻修[9，28]。