3D打印辅助Masquelet膜诱导技术治疗跟骨骨缺损的疗效研究

张来福，卢承印，王孝辉，郭绍勇，张海龙，吕亚庆

1.河南省洛阳正骨医院(河南省骨科医院)，河南 洛阳 471002；2.河南中医药大学，郑州 450046

跟骨是承载足部稳定及功能的重要结构。临床中，跟骨骨缺损多由创伤、感染等因素导致，常合并皮肤缺损，治疗中存在手术创伤大、周期长、骨折部位愈合困难、并发症多等问题。目前常用的治疗手段包括带血管的自体骨(或肌皮瓣)移植技术、Ilizarov骨搬移技术、Masquelet膜诱导技术等。带血管的骨(或肌皮瓣)移植技术能一次性修复骨缺损，具有骨愈合快的优势[1]，但要求手术医师熟练掌握显微外科技术限制了该技术的应用[2]。Ilizarov骨搬移技术适应证广泛，但治疗周期与骨缺损大小呈正相关，存在护理难度大，容易发生钉道感染、固定松动、关节黏连僵硬、神经损伤等诸多问题[3-4]。

Masquelet膜诱导技术适应证广泛、操作相对简便、治疗周期不受缺损大小的限制[5]。然而，其操作中也存在一些问题：(1)合适的骨水泥填充物大小较难把控，若诱导膜形成过小会使移植骨形成的骨连接过小，影响骨修复[6]；(2)在二期手术时填充的骨水泥取出较困难，且取出骨水泥时易损伤诱导膜，导致术后可能再次感染[7]。3D打印技术根据CT扫描健侧和患侧的结果对比，提供高质量射线成像数据，利用计算机技术辅助设计、制造，通过“层层叠加，层积成型”的方式，可以快速精确地直接生成所需要的任何结构目标模型[8]。近些年，3D打印技术在临床中应用越来越广泛，并取得了满意的效果，为跟骨骨缺损重建带来新的思路[9]。因此，本研究回顾性分析2018年1月—2019年4月河南省洛阳正骨医院(河南省骨科医院)接受3D打印技术结合Masquelet膜诱导技术治疗的跟骨骨缺损患者4例的疗效。

临床资料

1 一般资料

纳入标准：(1)创伤导致跟骨骨缺损；(2)接受皮瓣转移修复软组织缺损，3D打印技术结合Masquelet膜诱导技术治疗跟骨骨缺损。排除标准：(1)年龄<15岁或>60岁；(2)足部手术史；(3)先天性足踝畸形及既往损伤导致足踝畸形。

本组跟骨骨缺损患者4例，男性2例，女性2例；年龄22～52岁，平均36.0岁。道路交通伤2例，高处坠落伤1例，挤压伤1例。骨缺损分别为4cm×3cm×3cm、4cm×2cm×2cm、3cm×3cm×2cm、3cm×2cm×1cm；合并皮肤缺损分别为12cm×7cm、10cm×6cm、9cm×5cm、7cm×6cm。其中感染性骨缺损3例(大肠埃希氏菌2例，铜绿假单胞菌1例)。

2 3D打印个性化骨水泥塑型器模块的制备

应用64排螺旋CT(西门子公司，德国)扫描骨缺损区及对应健侧，层厚1.0mm，医学数字成像和通信标准(digital imaging and communications in medicine,DICOM)格式保存数据，利用Mimics软件将数据三维重建(图1a)。健侧作为模板，将缺损处虚拟镜像还原，将缺损区数据拟合对位健侧数据，确定解剖标志点，以清创正常骨组织5mm为截骨平面，设计骨水泥植入物数字模型，立体光刻 (Stereolithographic,STL)格式保存。导入3-Matic软件，从截骨面起始，设计能将模型包裹模具，利用布尔计算工具得到骨水泥塑型器模具内腔数据(图1b)。以模具能顺利脱开为原则将模具根据需要分为多个模块，将模块数据导入3D打印机，填充率50%、层厚0.1mm，利用聚乳酸材料打印，消毒备用(图1c)。

图1 术前模型设计。a.3D打印患侧与健侧模型；b.塑型器模具设计；c.3D打印塑型器模具

3 手术方法

第一阶段：患者侧卧位或平卧位，选择腰硬联合麻醉或全身麻醉，在止血带控制下手术。逐层切开皮肤及皮下组织，充分显露缺损区；彻底扩创至正常软组织，清除死骨、硬化骨至预定截骨面，观察是否有新鲜血液渗出(图2a)。对于感染性患者，取标本培养进行药敏试验，创面需过氧化氢溶液-生理盐水反复冲洗，碘伏浸泡后生理盐水冲洗。按比例充分混匀抗生素(通常为万古霉素)与骨水泥粉末，将半凝固状态的抗生素骨水泥填充塑型器模块，待抗生素骨水泥完全凝固后拆除(图2b)。将塑型凝固的抗生素骨水泥分块植入骨缺损处，紧密贴合后使用内(外)固定装置固定。缺损区采用局部皮瓣转位或游离股前外侧皮瓣修复(图2c)。随后生理盐水彻底冲洗术区，放置负压引流，分层缝合切口。

图2 a.清创至截骨面，看到新鲜血液渗出；b.塑型器模具将骨水泥塑型凝固；c.小腿外侧皮瓣修复足部皮肤缺损

第二阶段：固定8～14周后，患者侧卧位或卧位，选择腰硬联合麻醉或全身麻醉，在止血带控制下手术。取原手术切口逐层切开皮肤皮下，显露骨缺损处。切开骨水泥表面类骨膜物质，完整取出抗生素骨水泥；清除周围硬化区，促进血液流通。取适量髂骨修剪成颗粒状植入骨缺损诱导膜内，压实填塞骨缺损空腔后缝合诱导膜。随后生理盐水彻底冲洗术区后逐层缝合切口。

4 术后处理

第一阶段术后制动，抬高患肢，罂粟碱预防血管痉挛，术后72h内每2h观察皮瓣血运1次；48h后拔除引流管，并指导患者主动进行足趾活动。根据药敏结果使用抗生素，感染性骨缺损可延长用药时间。术后2～3周，皮瓣愈合后可部分负重活动。第二阶段术后24h内每2h观察皮瓣血运1次，术后48h拔除引流管。常规抗感染、消肿、止痛等治疗，预防深静脉血栓形成。嘱患者于术后1、2、3、6、12个月定期复查。术后3个月禁止负重，3个月后根据骨痂形成情况进行逐渐负重活动。负重活动期间并用软鞋垫缓冲皮瓣受到的压力。

5 疗效指标评价

采用Maryland足部评分评价足部功能。包括疼痛、功能两部分，满分为100分；其中优：90～100分；良：75～89分；可：50～74分；差：<50分。采用美国足踝外科协会(American Orthopaedic Foot and Ankle Society，AOFAS)评分评价踝关节功能。包括疼痛、功能、步态、稳定性等方面评估，其中优：90～100分；良：75～89分；可：50～74分；差：<50分。

6 统计学分析

结 果

本研究4例患者手术均由同一手术团队完成。第一阶段：手术时间为120～200min，平均155.0min；出血量300～700mL，平均450.0mL；将骨水泥植入骨缺损区时，经过塑型器体外塑型的骨水泥与骨断端匹配度高，能完整地填充骨缺损区，无需再次对骨水泥进行调整。

第一阶段手术术中取多点组织行细菌培养，结果显示大肠埃希氏菌2例，铜绿假单胞菌1例。4例患者清创后见跟骨骨缺损未累及跟距关节和跟骰关节。术后1例出现伤口渗出情况，加强换药后情况改善，其余伤口愈合良好，皮瓣均成活，深部骨缺损区未出现感染情况。第二阶段距第一阶段手术8～14周，平均11.5周；手术时间为90～160min，平均120.0min；出血量200～400mL，平均312.5mL；术中观察诱导膜完整，大小合适；骨水泥能顺利取出，未出现取出困难和明显损伤诱导膜的情况。术后伤口愈合良好，无深部血栓形成。患者均获随访，随访时间10～18个月，平均14.0个月，随访期间足跟皮瓣无一例发生坏死或破溃。患者植骨均愈合，骨折愈合良好：X线片示骨缺损处有连续性骨痂生成，无死骨，骨的连续性、完整性可。临床愈合时间3～6个月，平均4.0个月。本组患者术后12～16周(平均14.0周)可部分负重，术后9～15个月(平均13.0个月)完全负重行走。末次随访时Maryland足部评分88～98分，平均94.0分,其中优3例，良1例,与健侧相比,差异无统计学意义(P>0.05)。AOFAS评分86～98分，平均92.8分，优3例，良1例，与健侧相比差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。典型病例见图3。

表1 患者两侧术后末次随访评分比较分)

图3 患者男性，40岁，交通事故致左足跟骨及跟部皮肤缺损。a.术前X线片；b.植入骨水泥后X线片；c.植骨后X线片；d.术后 12个月末次随访 X线片

讨 论

本组4例患者术前通过3D打印镜像技术打印出患侧与健侧模型，通过影像学资料及CT扫描数据确定截骨面，为3D打印患侧缺损提供数据参数。根据患侧跟骨骨缺损的形状及大小，确定需要植入骨水泥的形状及大小，利用3D打印制作出塑型模具。通过控制植入骨水泥来把控形成诱导膜的质量和大小。第一阶段手术通过皮瓣转移修复足部皮肤缺损，为Masquelet膜诱导技术的应用提供条件。Morelli等[10]在Meta分析中阐述软组织重建对于Masquelet膜诱导技术的重要性。彻底清创跟骨骨缺损至术前确定的截骨面，新鲜血液渗出，将通过模具塑型的骨水泥分块置入骨缺损区，发现骨水泥与骨缺损部位具有较高的匹配度，无需再对骨水泥的形状、大小进行调整。第二阶段手术中证实，形成的诱导膜大小合适，可以分块取出骨水泥，未对诱导膜造成明显的损伤，在植骨3个月内避免负重，跟骨骨质愈合后可逐渐负重。4例患者植骨愈合，正常行走后逐步出现跟骨骨小梁化，实现了跟骨骨质的重建。AOFAS评分显示优3例，良1例，也证实了跟骨生理功能的重建。术后随访未出现皮瓣坏死或破溃的情况，主要原因是术后3个月的制动，既避免植入小骨块易受压变形，影响塑型足弓维持进而影响功能，又避免小骨块对皮瓣造成不同程度压力，破坏皮瓣的成活与完整性；其次软鞋垫缓冲了皮瓣在逐渐负重后所承受的压力。

传统的Masquelet膜诱导技术在骨水泥填塞中具有一定的盲目性。传统的体内成型在骨水泥凝固前将其填充骨缺损部位，并且包裹骨折断端，使其自然凝固。该凝固方式在第二阶段手术时发现，骨水泥与骨断端连接牢固，同时骨水泥为一较大整体，在取出时易损伤诱导膜及骨水泥-骨界面骨组织，在二期植骨中影响骨折愈合；骨水泥凝固过程中释放的热量，也会损伤邻近骨及组织。为克服骨水泥体内成型的缺陷，部分学者曾将骨水泥进行体外塑型，取得一定的效果[11]。但骨缺损的类型多样，骨缺损信息在影像学资料下难以全面、准确地反映，骨水泥植入物的大小、形状与医师个人经验有关。因此抗生素骨水泥的植入是该技术的关键环节之一。

Simpson等[12]认为在对骨缺损区清创时，为确保治疗效果，通常需要清创超过正常骨组织5mm。这为在术前确定需要清创的截骨面，从而确定骨缺损区的形状及大小提供了理论依据,也为3D打印技术的应用提供理论支撑。本研究利用3D打印技术将跟骨骨缺损区进行三维重建，根据跟骨骨缺损区打印出骨水泥塑型器。通过体外塑型的方式，解决骨水泥体内塑型对骨与软组织的热损伤，避免骨水泥与骨断端连接过牢；多模块的设计同样避免了大块骨水泥取出困难、容易损伤诱导膜的问题，进而保证了形成诱导膜的质量；其次骨水泥与跟骨外形、大小保持高度的一致，既符合缺损区生物力学传导，又能保证形成大小合适的诱导膜；最后骨水泥的制作不再受到医师经验的影响，也会减少骨水泥在填充过程中形成气泡和分层现象。

因此3D打印技术结合Masquelet膜诱导技术治疗跟骨骨缺损能保证形成诱导膜的质量和大小，具有简洁高效的技术优势和生物力学优势。在术后末次随访中，患者未诉有疼痛症状，并且功能恢复良好，这些均与形成高质量的诱导膜相关。

本研究局限性:(1)由于跟骨骨缺损合并软组织缺损的发病率不高，造成本研究的样本量较小，需要扩大样本量继续观察临床疗效，分析在操作中可能出现的其他问题；(2)缺乏对照比较，需要与传统带血管移植或骨搬移技术进行对比，客观分析3D打印结合Masquelet膜诱导技术治疗跟骨骨缺损的临床疗效；(3)由于术中情况多变，会存在已塑型骨水泥与骨缺损不匹配的情况，此时需要对骨水泥模型进行适当调整；(4)患者可能存在韧带及足部其他组织损伤，影响治疗效果，待进一步解决。

总之，本研究为跟骨骨缺损的治疗提供了新的思路和方法，皮瓣转移修复软组织缺损，3D打印结合Masquelet膜诱导技术治疗跟骨骨缺损术后疗效满意。