3D打印个性化钛合金骨修复假体的前驱探索与临床应用

供稿|余冬梅，伍苏华，赵军刚，鲍树森，黄海，李小康，郭征 /

骨肿瘤骨修复重建(BTBR，Bone tumor and bone reconstruction)创新团队在空军军医大学第二附属医院(唐都医院)骨科主任郭征教授的带领下，联合维度(西安)生物医疗科技有限公司和宁夏博迪生物科技有限公司等企业，聚焦骨科植入物临床转化研究，实现了3D打印从基础研究到产品研发最后应用于骨肿瘤精细化外科临床医疗体系，并取得了系列创新成果。3D打印导板、导航、手术机器人等数字化技术有助于在手术中进行精准切除骨肿瘤，而量身定制的3D打印假体能够完美契合骨缺损部位，在结构与功能上实现了骨修复重建，恢复了肢体外观完整与活动能力。

传统CAD/CAM(CAD，Computer aided design，计算机辅助设计；CAM，Computer aided manufacturing，计算机辅助制造)铸造与机械加工的定制化假体难以实现长期生物稳定，且伴随有并发症(如假体界面骨吸收、假体松动与断裂、伤口及深部感染)。这由于制备技术工艺存在缺陷：制备精度难以保证、界面成骨不理想、设计优化难体现、复杂结构难处理、内部多孔难实现和个性定制周期长。

3D打印技术是一种数字化的快速成型技术，用粉末状金属或丝状塑料(如聚乳酸或聚醚醚酮)等作为原材料，通过逐层打印的方式进行制造[1]。相比于传统定制化假体，3D打印定制化假体能够满足重建需求：解剖学形状与复杂骨缺损形态匹配一致；根据需求个性化设计提高固定的有效性；界面多孔传导骨长入提高长期生物稳定；表面多孔化使软组织贴附紧密减少死腔；假体高强度低模量减少应力遮挡骨吸收，临床需求与实现精准重建完美结合。3D打印定制化假体重建技术是一个复杂的系统工程，体现医工企的联合智慧。根据临床医生对疾病类型的诊断结果，工程师进行假体设计和制备，再应用于临床，该过程加强了医工企交互，包括生产工艺、生物力学和影像功能方面的评价。传统定制化假体的支撑结构缺乏设计依据，容易失稳，而3D打印可实现拓扑优化创新设计，且拓扑优化与有限元分析能完美结合，提供了轻压、高稳定性、高营养传递性结构，临床应用也反馈了所设计材料“全生命周期”的强度校核。对3D打印定制化假体的结构设计进行评价，结合有限元力学分析，优化设计以满足骨体全局安全系数。这里用材料力学中构件的安全系数(安全系数=极限应力/许用应力)来类比，以衡量3D打印定制化假体的结构设计的安全性。多孔与实体相结合的梯度过渡结构优化设计是为了增强假体轮廓，也更符合人体需求。3D打印技术又称增材制造技术，在骨科、口腔科、颌面外科、整形外科、康复科、颅脑外科等医学领域的应用日益广泛。以骨科为例，根据患者CT扫描数据进行拓扑优化，通过3D打印等比例骨实体模型，辅助医生进行术前骨折模拟复位、选择内固定物、确定螺钉长度及置入角度，且能够依据需求进行个性化假体定制。3D打印技术的辅助骨修复可以减少术中对患者骨骼的处理，尽可能的保留患者原本的骨骼，同时简化了手术过程，缩短了手术时间，降低了手术风险。临床医用钛合金因其生物相容性良好、比强度高和弹性模量低，常用作战争创伤、车祸及病变等造成硬组织(人体躯干中所有骨骼和牙齿)损伤后的替代、修复或矫形治疗材料，为人肢体活动供了主要的承重功能。

骨骼是人或动物体内或体表坚硬的组织，分内骨骼和外骨骼。通常所说的骨骼是指内骨骼[1]，如人和高等动物的骨骼在体内，由许多块骨头组成，称为内骨骼；软体动物体外的硬壳以及某些脊椎动物(如鱼、龟等)体表的鳞、甲等称为外骨骼。骨骼是组成脊椎动物内骨骼的坚硬器官，功能是运动、支持和保护身体，若没有骨骼，人无法站立和行走。人体各部位的骨骼通过关节、肌肉、韧带等组织连成一个整体，对身体起着支撑作用。人体的骨骼如同一个框架，保护着人体内的重要脏器，使其尽可能避免外力的“干扰”和损伤。骨骼与肌肉、肌腱、韧带等组织协同，共同完成人的运动功能，骨骼提供运动必需的支撑，肌肉、肌腱提供运动的动力，韧带的作用是保持骨骼的稳定性，使运动得以连续的进行。据统计人体共有206块骨骼，分为颅骨、躯干骨和四肢骨(即上肢骨和下肢骨)三大部分，其中颅骨29块，躯干骨51块，四肢骨126块。因儿童的骶骨有5块，长大成人后合为1块；尾骨有4～5块，长大后也合成了1块；2块髂骨、2块坐骨和2块耻骨到成人合并成为2块髋骨，因此儿童和婴儿的骨头要比成人多11～12块，成人有217～218块骨头，而初生婴儿的骨头多达305块[1]。BTBR创新团队3D打印的定制化骨科金属假体种类繁多，为了更明晰阐述3D打印假体在人体内的具体应用部位，特提供人体骨骼图(图1)辅助说明。按照人体形态特征，本文将依次介绍BTBR创新团队3D打印的上肢骨、躯干骨和下肢骨。

图1 人体骨骼前视图(a)和后视图(b)

上肢骨

上肢是人体的重要组成部分，包括肩、臂、肘、腕和手，是人体最为活跃的运动部位，参与各种日常肢体活动，使用频率非常高，如拿和放等动作。上肢骨分为上肢带骨和自由上肢骨两部分。上肢带骨包括锁骨和肩胛骨，自由上肢骨包括上臂骨、前臂骨和手骨三部分。上臂骨即肱骨，前臂骨包括尺骨和桡骨，手骨包括腕骨、掌骨和指骨三部分。人体上肢骨示意图如图2所示。

图2 人体上肢骨示意图

人体骨骼按照骨形状可分为长骨(如肱骨和股骨，长宽比非常大)、短骨(如腕骨，长宽比非常小，近似立方形)、扁平骨(如肩胛骨，呈板状)、不规则骨(如脊柱骨)和圆骨(又称籽骨，如髌骨，尺寸很小，位于关节内层)。长骨呈长管状，也称为管状骨。长骨主要存在于四肢中，上肢骨如肱骨，以及下肢骨如股骨均属于长骨。

锁骨

锁骨又称“美人骨”，为S状弯曲的细长骨，位于胸廓的前上方，横于颈部和胸部的交界处，全长于皮下均可触摸。锁骨是爬行动物、鸟类和哺乳类动物肩胛带三骨(包括锁骨、喙状骨和肩胛骨)之一，维持肩关节在正常位置，增加上肢的活动范围和劳动能力[2]。因骨肿瘤切除了一侧锁骨后，3D打印钛合金假体精准填充了骨缺失部位，保证了锁骨结构的完整性和对称性，同时也为邻近骨骼提供了支撑和承载作用，恢复了肢体活动功能(图3)。

图3 3D打印钛合金锁骨假体(a)正面和(b)背面及其(c)与骨骼模型的适配图(骨骼模型为聚乳酸材质)

肩胛骨

肩胛骨又称胛骨、琵琶骨。肩胛骨位于胸廓的后面，背部的外上方，在体表可触及，是倒置的三角形扁骨，介于第2～7肋之间。肩胛骨、锁骨和肱骨构成肩关节。肩胛骨的运动可分为上提、下抑、外旋、内旋、外展和内收等6种运动[2]。3D打印肩胛骨成功替代了病变骨，帮助患者恢复了肩胛骨的运动自由度，使患者的生活质量得到显著改善(图4)。

图4 3D打印钛合金肩胛骨假体正面(a)、侧面(b)和反面(c)与骨骼模型适配(d)(骨骼模型为聚乳酸材质)

肱骨

肱骨位于上臂，又称上臂骨。上端有半球形的肱骨头与肩胛骨的关节盂组成肩关节；下端与尺、桡骨的上端构成肘关节。肱骨是典型的长骨，可分为一体二端[2]。因骨肿瘤切除部分或全部肱骨后，3D打印的肱骨头、部分肱骨修复段，甚至整个肱骨成功替补了缺失骨头，帮助患者恢复了肢体结构与活动功能(图5)。

图5 (a)3D打印钛合金肱骨头与骨骼模型和(b)适配图、(c)骨骼缺损模型和肱骨修复段正面和(d)反面及(e)全长肱骨正面和(f)反面(肱骨模型为聚乳酸材质)

桡骨

桡骨为前臂双骨之一，位于前臂外侧，大拇指的一侧，是人和脊椎动物(四足)的前臂长骨之一。某些动物(如蛙、蟾蜍)的桡骨与尺骨愈合成桡尺骨。桡骨分为一体和两端。桡骨上端稍膨大，形成扁圆形的桡骨头，桡骨头上面有凹陷的桡骨头凹，与肱骨小头构成肘关节。桡骨头周缘有环状关节面，与尺骨的桡切迹相关节。桡骨头下方光滑缩细为桡骨颈，颈的内下方有一较大的粗糙隆起称桡骨粗隆，是肱二头肌的抵止处。桡骨体呈三棱柱形，其内侧缘锐利，称为骨间嵴，与尺骨的骨间嵴相对；外侧面中点的粗糙面为旋前圆肌粗隆。桡骨下端特别膨大，前凹后凸，近似立方形，其远侧面光滑凹陷，为腕关节面，与近侧腕骨相关节；内侧面有尺骨切迹，与尺骨头相关节；外侧面向下突出，称桡骨茎突，它比尺骨茎突约低1～1.5 cm[2]。3D打印钛合金桡骨头完全契合地安装到桡骨上端，与尺骨上端及肱骨下端共同组成了肘关节，使患者上肢恢复了活动能力(图6)。

图6 (a)3D打印桡骨头(钛合金材质)和(b)导板、桡骨模型(聚乳酸材质)两者适配

掌骨

掌骨共5块，为小型长骨，由桡侧向尺侧依次为第1～5掌骨。掌骨分为一体两端，近侧端称为底，与远侧列腕骨相关节，其中第1掌骨底关节面呈鞍状，与大多角骨相关节；掌骨体呈棱柱形，稍向背侧弯曲；掌骨远侧端为掌骨小头，呈球形，与指骨相关节[2]。因意外损伤掌骨碎裂后，采用3D打印钛合金假体完全匹配了缺损部位，恢复了手部结构与正常功能，为患者重拾信心，改善了其生活质量(图7)。

图7 3D打印钛合金掌骨假体(a)正面和(b)反面

躯干骨

人体躯干骨由椎骨、肋骨和胸骨组成，见图8。椎骨构成人体的中轴，包括7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎、1块骶骨(由5块骶骨融合而成)和1块尾骨(由3或4块尾椎融合而成)。肋骨和肋软骨连接成肋，共12对。胸骨是扁骨，形似短剑，自上而下由胸骨柄、胸骨体和剑突三部分组成。胸骨柄上缘中部微凹，称颈静脉切迹，其两侧有锁骨切迹；胸骨柄下缘与胸骨体连接处微向前突，称胸骨角。胸骨体扁而长，而剑突形状多变，位居左右肋弓之间[2]。

图8 颈腰椎骨骼图

椎体(尤其脊椎)手术非常考验医生的医术，若施术不当就会引起神经元损坏和血管感染等问题。3D打印技术能很好地重建病患或缺损部位的模型，有助于提升手术的精准度和效率。为防止椎体转移瘤患者术中出血多，需术前对肿瘤节段做动脉栓塞以降低出血量；术中切除肿瘤时需保护椎体前的大血管和椎体后的脊髓。椎体形态不规则，接触面角度变化大，而3D打印技术的个体化定制能够满足人工椎体的形态复杂性，有效保证了椎体稳定性。术后恢复效果良好，保证了正常的肢体活动能力。3D打印椎体的微孔结构有利于邻近骨细胞长入其中，实现骨与金属界面的生物融合，同时也保证了椎体的整体力学性能。

颈椎

颈椎指颈椎骨，位于头以下、胸椎以上的部位。颈椎由7块颈椎骨组成，除第1、2颈椎外，其他颈椎之间都夹有一个椎间盘，加上第7颈椎和第1胸椎之间的椎间盘，颈椎共有6个椎间盘。除第1、2颈椎结构特殊外，其余颈椎与胸、腰段椎骨大致相似，均由椎体、椎弓、突起(包括横突、上下关节突和棘突三部分)等基本结构组成。椎体在前、椎弓在后，两者环绕共同形成椎孔，所有椎孔相连就构成了椎管，脊髓容纳其中。颈椎是脊柱椎骨中体积最小，但灵活性最大、活动频率最高、负重较大的节段[2]。3D打印钛合金颈椎假体将脱落颈椎稳固连接在一起，保证了颈椎的完整性和一体性(图9)。

图9 (a)3D打印颈椎假体(钛合金材质)及其(b)植入颈椎模型(聚乳酸材质)中的适配

胸椎

人的胸椎在胸腔后，分12块，形成脊椎中间部分，具有承受重力、缓解冲力、支持脊神经及血管等作用[2]。3D打印的胸椎骨肿瘤部位模型显示，巨大骨肿瘤将胸椎紧紧包裹，若不及时切除肿瘤，患者将面临更大区域瘫痪风险。个体化定制的3D打印胸椎假体完美契合了缺损部位，重建了胸椎的结构完整性和稳定性，保证了其承载能力(图10)。

图10 (a) 3D打印骨肿瘤部位的胸椎模型(聚乳酸材质，红色为骨肿瘤、蓝色为血管、白色为胸椎模型)、3D打印钛合金胸椎假体(b)正面和(c)反面及其(d)在胸椎模型中的适配

腰椎

腰椎椎体粗壮，横断面呈肾形，椎孔呈三角形；上、下关节突粗大，关节面呈矢状位；上关节突的后缘有一卵圆形的隆起，称乳突；棘突宽而短，呈板状，水平伸向后方[2]。腰椎椎体侧前方有强大的腰部肌群等软组织附着，骨肿瘤切除术面临剥离困难；腰椎椎体前方有主动脉等重要血管脏器，术中需仔细保护；腰椎活动度大，重建稳定性要求高，传统钛网置入跨度长，长期易出现松动、塌陷等并发症，且与缺损部位匹配度低。3D打印的定制化优势，能够满足个体化腰椎假体的各种需求，骨肿瘤切除术后3D打印假体能够高适配地填充骨缺损部位，实现有效骨修复重建。3D打印的改进款L4腰椎，在保证其承重能力的情况下，在初始款基础上通过优化结构设计，有效减小了体积，在减少负重的同时还能方便术中安装操作。

骨盆

图11 3D打印腰椎假体(钛合金材质)：(a) L4腰椎初始款；(b)L4腰椎改进款；(c) L5腰椎正面；(d)L5腰椎背面；(e～f)假体植入部位腰椎模型(聚乳酸材质)中的适配

骨盆由左右两侧的髋骨、后方的骶骨和尾骨以及其间的骨连结围成(图12)。髋骨是由髂骨、坐骨及耻骨联合组成的不规则骨骼，如图1所示。骨盆的关节包括耻骨联合、骶骨关节和骶尾关节。 骶骨岬、髂骨弓状线、耻骨梳、耻骨结节、耻骨嵴和耻骨联合上缘共同连成一环状的界线，又称骨盆上口。它将骨盆分为前上方的大骨盆和后下方的小骨盆。大骨盆又称假骨盆，小骨盆又称真骨盆。骨盆的前壁为耻骨、耻骨支和耻骨联合，后壁为凹陷的骶骨、尾骨的前面，两侧壁为髂骨、坐骨、骶结节韧带和骶棘韧带。后两条韧带与坐骨大、小切迹围成坐骨大、小孔。骨盆的前外侧有闭孔，其周缘附着一层结缔组织膜，仅前上方留有一管状裂隙，称闭膜管。骨盆有明显的性别差异。女性骨盆宽而短，上口近似圆形，下口较宽大；而男性骨盆窄而长，伤口为心形，下口窄小[2]。

图12 骨盆骨骼图

3D打印技术可在术前等比例打印骨缺损部位与邻近组织复杂的解剖关系，有助于医生术前进行手术模拟，快速确定髋臼旋转中心的定位和关键操作等手术方案，实现精准诊断治疗，减少术中组织和神经血管损伤。因骨肿瘤切除了半侧髂骨后，量身定制的3D打印髂骨和半盆骨非常契合地填充了缺损部位，重建了骨盆结构完整性和稳定性，恢复了骨盆支撑功能(图13和图14)。

图13 3D打印钛合金髂骨假体：(a)正面和(b)侧面及固定钛钉；在骨盆模型中的适配(c)正面和(d)背面；(e)初始款及(f)改进款(聚乳酸材质)

图14 个体化3D打印钛合金半骨盆重建假体(前后视图)

近年来髋关节置换术尤为常见，面对髋关节巨大的市场需求，3D打印的个性化定制钛合金髋关节假体(图15)发挥了极大潜力，缩短了手术时间，减少了患者痛苦和术后风险，且术后康复效果良好。

图15 3D打印髋臼假体(不同角度视图)及其固定钛钉

下肢骨

下肢是人体中非常重要的部分，是人类实现直立行走功能的重要保障，在人类进化史中起着不容忽视的作用。下肢是指人体腹部以下部分，包括臀部、股部、膝部、胫部和足部。股部分前、内和后区，膝部分为前、后区，小腿部分前、外和后区；足部分踝、足背、足底和趾。下肢骨分为下肢带骨和自由下肢骨两部分。下肢带骨即髋骨，自由下肢骨包括大腿骨、小腿骨、髌骨和足骨。大腿骨即股骨，小腿骨包括胫骨和腓骨，足骨包括跗骨、跖骨和趾骨，髌骨位于膝关节前方参与组成膝关节的籽骨。

股骨

股骨是人体中最大的长管状骨，可分为一体两端。股骨上端朝向内上方，其末端膨大呈球形，称股骨头，与髋臼一起构成髋关节。股骨头的中央稍下方，有一小凹，称股骨头凹，为股骨头韧带的附着处；股骨头的外下方较细部分称股骨颈。股骨颈与体的夹角称颈干角，男性平均132°，女性平均127°。股骨的颈体交界处外侧，有一向上的隆起，称大转子；其内下方较小的隆起称小转子。大转子的内侧面有一凹陷称为转子窝(或称梨状窝)。大、小转子间，前有转子间线，后有转子间嵴相连；两者之间称股骨粗隆间，是骨折多发处。股骨结构如图16。股骨是人体最长、最结实的长骨，其长度约占人体身高的1/4。因骨肿瘤侵袭，在切除了大段股骨后，3D打印钛合金股骨假体完美连接并固定了非病变区股骨，恢复了股骨的完整结构，并提供了足够的承载能力，以保证人正常的肢体活动，如图17所示。

图16 股骨结构示意图

图17 3D打印钛合金股骨及其重建部位示意图

股骨头支撑棒

股骨头因病变其承载能力显著下降，严重影响了患者生活。在股骨头结构外形保持完整的情况下，为恢复其应有的承载能力，BTBR创新团队通过3D打印技术定制了适宜形状特征和力学性能的股骨头支撑棒，加强了患者股骨头的承载力，恢复了股骨头的正常功能(图18)。

图18 3D打印钛合金股骨头支撑棒：(a)端部的光滑设计；(b)螺纹设计；(c)三维重建模拟示意图；(d)术后CT图

胫骨

从解剖学角度来看，胫骨位于小腿的内侧，作为小腿骨(胫骨与腓骨共同构成小腿骨)中的主要承重骨支持人体体重。胫骨结构可分为一体和两端。胫骨上端膨大，形成内侧髁和外侧髁，与股骨下端的内、外侧髁以及髌骨共同构成膝关节。胫骨两髁之间的骨面隆凸叫做髁间隆起，隆起前后各有一凹陷的粗糙面，分别叫做髁间前窝和髁间后窝。胫骨的上端前面有一粗糙的隆起，叫做胫骨粗隆。胫骨外侧髁的后下面有一关节面，接腓骨小头，叫做腓关节面。胫骨的体前缘特别锐利叫做嵴，从皮肤表面可以触摸到；外侧缘为小腿骨间膜所附着，称骨间嵴；内侧面表面无肌肉覆盖，在皮下可触及。胫骨下端膨大，下面有与距骨相接的关节面，内侧有伸向下的骨突，称内踝；外侧有与腓骨相接的三角形凹隐，称腓骨切迹。量身定制的3D打印胫骨有效适配且修复重建了肿瘤切除后的骨缺损部位，为患者保肢发挥了举足轻重的作用，同时也能支持小腿上所承受的人体重量，帮助患者恢复了下肢肢体运动的生活功能(图19)。3D打印的个体化优势在临床辅助治疗中发挥得淋漓尽致，它能够帮助医生进行精细的术前规划和便捷的术中操作，提高了手术效率，实现精准治疗有利于减小创伤。

图19 个体化3D打印钛合金材质胫骨假体：(a)三维重建示意图；(b)在胫骨模型(聚乳酸材质)上的适配；(c)胫骨鞘假体三维重建适配示意图；(d)组配式胫骨假体

跟骨

跟骨为七块跗骨中最大的一块，位于足后下部，构成踵(脚后跟)。作为足部的主要骨头之一，跟骨在人的正常功能活动中发挥着举足轻重的作用。为直观展示跟骨的具体部位，足部骨骼图如图20所示。跟骨形态不规则，有六面和四个关节面，其上方有三个关节面，即前距、中距、后距关节面。三者分别与距骨的前跟、中跟、后跟关节面相关节组成距下关节。3D打印跟骨精准替换了患骨肿瘤的跟骨，实现了与周围骨组织完美的匹配度，重建了足部结构和功能(图21)。

图20 足部骨骼图

图21 (a)3D打印跟骨(钛合金材质)和(b)植入的足部模型(聚乳酸材质)

结束语

3D打印技术一方面可打印患者病患部位的模型，助力医生直观了解病灶区及周围组织的结构，进行术前方案规划，模拟手术操作；另一方面可打印因战争创伤、意外损伤或骨肿瘤所致的骨缺损植入体。高匹配度的3D打印假体与周围组织能够紧密贴合，降低了术后感染风险，提高了愈合效率。3D打印在临床中的具体应用发挥了其个体化定制的显著优势，创造了很多国际及国内先例的手术记录，开拓了精准数字化和智能化医疗的新时代。