3D打印定制化膝关节垫块治疗用于翻修术中

随着社会人口老龄化和生活质量的提高，数以百万计的膝关节疼痛患者选择了膝关节置换术(TKA)。尽管初次TKA的成功率已相当高，但随着置换数量增加，翻修病例还是越来越多。骨缺损是翻修手术中经常遇到的问题，骨缺损的处理会影响假体植入的准精度和长期稳定性。目前处理膝关节骨缺损的方式包括：骨水泥填充、植骨技术、加厚垫片，以及铰链膝关节翻修，但各有优缺点，尚无一种理想的处理严重骨缺损的方法。

快速成型技术(rapidprototypingRP)是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。可被用于制造具有复杂的和独特的结构部件，该技术为严重骨缺损病例提供了新的解决方案。我们为一例严重骨缺损患者使用RP技术制造个体化定制多孔钛合金模块，配合髁限制性膝关节假体进行膝关节翻修，现报告如下。

典型病例

56岁女性患者，双侧全膝关节置换术后两年，右膝疼痛和肿胀。细菌培养确定感染后，行假体取出和彻底清创，抗生素骨水泥spacer置入。6个月后，感染控制良好，行II期翻修。患者来诊时，右膝屈曲内翻畸形活动度(20°-70°)。平片显示膝关节骨缺损严重(图1A)。计算机断层扫描(CT)证实骨缺损在股骨侧和胫骨侧都存在。根据安德森骨科研究所的分类为F2B和T2B。传统方式处理这种大尺寸和不规则形状的骨缺损效果并不理想。因此，我们决定与北京爱康宜诚医疗器材股份有限公司合作，利用快速成型技术设计和生产定制模块为患者进行翻修。

首先，对患者患肢进行全长CT扫描，数据保存为DICOM格式，输入Materialise?三维建模软件，然后输入UG6.0软件获得数字化骨缺损三维模型。基于此，进一步使用计算机辅助设计软件(CAD)根据骨缺损和肢体力线设计个体化骨缺损模块，如图1B所示。然后保存并传输到3D打印机(ARCAMA1)。该快速成型设备使用电子束高温熔融技术(EBM)融化钛合金(Ti6Al4V)层层累积成型。从而获得个体化形态和高孔隙率的定制化模块(图1C)，随后进行射线灭菌和包装。

Figure1.A.X线正位片可见骨缺损和骨水泥填充情况.

B.计算机辅助完成植入物虚拟模型设计.

C.具有多孔结构的钛合金胫骨侧和股骨侧模块.

D.翻修手术中植入模块.

E.术后6个月X线随访，力线良好，未见松动。

医院伦理委员会的批准和患者充分知情，我们为患者实施翻修手术。首先去除骨水泥，然后填充颗粒骨，植入定制化的骨缺损修复模块，然后固定在适当位置(图1D)。术后常规抗凝和预防感染治疗。术后6个月随访，HSS膝关节评分已增加至83，而ROM为0°-°。X光片未见假体松动迹象(图1E)。

经验和体会

骨缺损是膝关节翻修术中常见问题，多数由化脓性感染或无菌性松动引起，暴力假体取出可能会加重骨缺损。翻修术前平片可以用于评估膝关节骨缺损程度，但是它往往低估了缺损的程度。因此，CT扫描并三维重建是更为有效的方法，另外，韧带的稳定性也是术前评估不应该忽视的一个问题。

目前，膝关节骨缺损的解决方案很多，每个方案都有优点和缺点。例如，商业化的垫块形状规则具有良好的机械力学性能，但通常需要进一步的骨切除，将不规则骨缺损转化成更大的规则骨缺损。同种异体骨移植存在骨吸收的风险。而铰链膝关节对于相对活跃的患者，存在较高的松动风险。

快速成型技术不同于传统削减式制造，它是增材制造技术，20世纪80年代开始用于复杂形状部件的制造。近年，RP技术得到了迅猛发展，在生物医学领域，尤其是在颌面颅面外科，神经外科等领域，如今3D打印技术在膝关节翻修领域获得应用。

该模块另外一个特点是其钛合金(Ti6Al4V)具有良好的生物相容性，且具有微观蜂窝状微结构(68%的孔隙率)，这为模块和宿主骨提供微观锚定，同时有利于骨长入。同时该模块具有类似于松质骨类似的弹性模量(0.74GPa)，和可靠的抗压强度。

总之，3D打印用于膝关节翻修术中骨缺损的处理具有如下特点，第一，它为手术者提供了准确的三维模拟，进一步精确了术前评估。第二，模块与宿主骨具有良好的形态匹配度，从而避免了额外的截骨。第三，微观多孔设计和良好的生物力学特性有助于促进骨长入和长期稳定性。另外，个体化定制模块的设计和制造大约需要约2周时间，这在一定程度上降低其时效性。虽然3D打印技术为膝关节严重骨缺损提供一个新的选择，但其长期可靠性，还需要更多的临床试验和长期随访。

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