华西医院 l 3D 打印生物型多孔肱骨干假体治疗肱骨近端超极限瘤性骨缺损的早期疗效分析

|3DScienceValley· 2024/02/22

谷专栏

【摘要】

目的：报道经治的 13 例 3D 打印生物型多孔肱骨干假体治疗肱骨近端超极限瘤性骨缺损的早期疗效并介绍生物型多孔肱骨干假体的设计理念。

方法：回顾性分析接受肱骨近端恶性肿瘤瘤段整体切除同时超极限关节保留联合 3D 打印多孔肱骨干假体重建术患者的基线资料、手术相关资料、肿瘤学预后、骨整合情况、假体相关并发症及术后功能状态。

结论：患者的平均年龄为 (20.2±3.8) 岁，中位随访期为 48.0 个月。残留的肱骨近端长度平均为 (17.6±1.1) mm。所有的患者均保留了肱骨头，大部分的肩袖保留完整。患侧肩关节平均活动范围 (range of motion，ROM) 为前屈 84.8°，外展为 79.5°，后伸为 26.8°，内收为 16.2°。肌肉骨骼肿瘤协会评分 (Musculoskeletal Tumor Society，MSTS) 平均得分 94.4%，在骨与假体的界面上观察到良好的骨整合。结论 3D 打印生物型多孔肱骨干假体治疗肱骨近端超极限瘤性骨缺损，术后近期随访，功能满意，为肱骨近端超极限瘤性缺损患者的关节保留重建提供了一种新的选择。

【关键词】打印，三维；肩关节假体；骨肿瘤；假体设计；假体植；肱骨

研究背景

肱骨近端是原发性恶性骨肿瘤最常受累的部位之一 [1-2]。带有安全边界的节段性切除已被广泛接受为恶性骨肿瘤的标准治疗方法 [3-4]。涉及肱骨近端的超极限瘤性缺损，可选的重建方式包括自体骨移植、同种异体骨移植和假体重建 [5-11]。自体腓骨移植具有良好的生物相容性和骨传导性等优势 [12-13]，由于腓骨头和切除后残留的肱骨近端匹配性较差，界面可能无法良好整合，随之易发生骨吸收和骨折 [14]。具有适当大小和形状的同种异体骨移植物可以提供一个理想的“移植骨 -宿主骨”界面接触，但相关的免疫排斥和疾病传播仍然是主要问题 [15]。因此，假体是重建肱骨近端节段性骨缺损的一个选择 [16]。

肱骨近端肿瘤切除后瘤性骨缺损的假体重建方式主要包括半关节置换术、全关节置换术和干假体置换术等。肱骨近端假体相对于其它部位的人工假体，生存率最高，但是术后的功能较差，主要是因为肱骨近端人工假体置换肌肉韧带切除较多，剩余关节囊不能很好地将金属肱骨头包裹固定，假体脱位率很高 [17-18]。对于涉及干骺端骨缺损导致残余骨过短时，半关节置换术或全关节置换术将不可避免地切除肱骨头；而干假体不仅可以从解剖学上保留肱骨头以保持肩部功能，还可以提供初始稳定性和快速功能恢复 [19-20]。目前的肱骨干假体是由髓内柄通过骨水泥黏合固定，这需要至少 3 cm 的骨质来维持可接受的稳定性 [21]。此外，由于骨水泥型假体缺乏骨诱导活性和骨生长能力，术中仍然需要用钢板和螺钉进行额外的固定 [22-23]。而对于肱骨近端骨残端保留长度过短 (长度 <3 cm 的极限瘤性缺损情况下)，无法采用干假体实现牢靠、有效的关节保留重建。
近年来，研究发现多孔结构可以极大地提高假体的整合能力 [24]。本研究团队前期对 3D 打印的多孔干假体的临床评估中观察到了良好的骨 -假体界面整合，甚至是在骨残端长度短于 0.7 cm 的超极限瘤性缺损情况下 [25-26]。本研究旨在设计和应用一种具有锥状结构的 3D 打印生物型多孔干假体，并评估其在治疗肱骨近端超极限瘤性缺损方面的可行性。

资料与方法

一、纳入标准与排除标准
1.纳入标准：(1) 2018 年 3 月至 2022 年 1 月，我院经治的肱骨近端恶性肿瘤者；(2) 病理诊断为肱骨近端恶性肿瘤者；(3) 接受瘤段整体切除联合3D 打印多孔假体置换手术者；(4) 瘤段整体切除后肱骨近端骨残端保留长度 ≤ 3 cm 者；(5) 随访资料完整者。

2.排除标准：(1) 非恶性肿瘤者；(2) 未手术者；(3) 无法保肢或使用其它方法重建者；(4) 合并其它严重疾病或全身评估不能耐受手术者；(5) 对金属植入物过敏者；(6) 伴有严重骨质疏松者；(7)心理或精神障碍不能配合治疗者；(8) 周围软组织缺损严重，预期无法实现良好的软组织重建者；(9)随访资料不完整者。

二、基本资料
本研究得到华西医院医学伦理委员会批准。所有患者在手术前均签署了知情同意书。
本研究共纳入 13 例，男 9 例，女 4 例，年龄16～30 岁，平均 (20.2±3.8) 岁。所有患者都接受了 X 线、肱骨 CT 三维扫描、胸部 CT 薄层扫描、上肢上臂 MRI 以及全身骨扫描或正电子发射断层扫描等术前影像学评估 (图 1)。所有患者均进行了术前活检明确病理诊断，手术分期采用 Enneking 系统分期 [27]，参照 Kumta 等 [28] 提出的骨骺板与肿瘤相对位置进行分类，并按照 NCCN 的骨肿瘤指南，对高等级肉瘤患者进行新辅助化疗 (表 1)。

三、解剖学数据测量
患者的三维 CT 数据被导入 Mimics V20.0 软件(Materialise Corp.，Leuven，Belgium) 以建立肿瘤和骨骼的三维虚拟模型。通过多模态图像融合技术整合CT 和 MRI 来确定肿瘤边缘。获得每例患者详细解剖学数据，包括肱骨头直径、肱骨近端和远端截骨位置、切除长度、残余肱骨的长度以及髓内腔的直径。随后评估切除边界以确定肿瘤切除和保留近端残余骨的部分，并使用 Geomagic Wrap 软件 (Geomagic inc.，Morrisville，NC) 进行手术模拟 (图 2a)。

四、假体设计和制造
所有假体均由四川大学华西医院屠重棋教授团队独立设计，并委托中国北京通州春丽正达器械有限公司 (Chunli Co.，Ltd.，Tongzhou，Beijing，China) 制作生产。假体设计主要原则为个性化模拟正常尺寸和外观，以保证截骨的精确性和植入物与骨缺损匹配的精确性。假体由头、干和柄组成。头部形状的设计选择半球形结构，采用了中心实体外层多孔的结构理念设计假体头，增加了一些包括缝合孔和锥状结构等特殊设计以提高骨 -假体界面的初始稳定性。

表1 13 例患者基本信息

图1 例 1，男，19 岁，右侧肱骨近端硬化性骨肉瘤 a～d：术前 X 线、三维 CT 显示肿瘤侵犯右肱骨近端；e：术前 MRI 示右肱骨远端骨质破坏伴软组织包块；f：术前 SPECT 显示右肱骨近端核素浓集
图2 a：术前模拟 CT 和 MRI 图像融合技术建立肱骨合并肿瘤模型；b、c：基于解剖学数据的生物型多孔假体重建示意图，显示虚拟截骨范围及使用假体柄放置髓腔情况

假体由钛合金 (Ti6Al4V 粉末) 制成，使用电子束熔化技术 (electron beam melting technique，EBM) 制作。将金属粉末置于真空，由电子束的热量进行熔化。然后根据预先设计的虚拟模型，通过不断添加预合金粉末层来制造部件，后续采取吹砂处理、超声清洗、消毒及封装等方式处理假体。采用立体光刻技术制造适合患者的塑料模型和截骨导板等 (图 3)。

五、手术操作
所有患者取仰卧位，采用肱骨近端前外侧入路，暴露并保护桡神经。在进行节段性切除之前，保留肩袖的附着部分。以肱骨大结节为骨性标志进行截骨，修剪剩余的肱骨近端骨残端 (图 4a)。同时进行扩髓以压实假体。收集扩髓后的骨髓和骨小梁于后续的自体植骨 (图 4b)。自体植骨后植入假体，当假体植入位置适当后进行轴向压配，将锥状结构压入近端松质骨。后将剩余的肱骨近端皮质用铆钉线缝合到假体头部，缝合的皮质需要足够稳定以防止撕脱。用铆钉线将残余的肌肉重新缝合到假体表面，但不打结。先缝合肱骨后侧和内侧的肌肉，然后是肱骨前侧和外侧的肌肉。缝合肩袖的铆钉线在共同拉紧平衡肩周肌肉的张力后打结。三角肌、胸大肌和胸小肌对肩关节活动度尤为重要，最后进行重建及后续足够的软组织覆盖 (图 4c)。记录手术时间和失血量。

图3 假体实物 a：假体头；b：假体干；c：假体柄；d：假体组装实物

六、术后治疗和随访
所有患者术后患侧肩关节呈外展 80° 和前屈 60°位制动 4 周。术后 4 周鼓励患者进行肩袖肌群及肩关节外展肌群被动运动，从第 6 周逐渐过渡到主动运动。负重和运动的具体时间根据患者门诊随访时影像及临床评估骨整合的程度而定。术后 2 周若患者切口愈合良好，则可开始术后化疗。

图4 术中假体植入情况 a、b：瘤段切除残余肱骨近端；c：远端扩髓植入假体柄后进行压配；d：植入假体后用 Marlex 补片重建不完整的肌肉
所有患者在术后的前 3 个月门诊随访评估，包括每月 1 次体格检查和影像学检查评估骨骼情况和假体稳定性，此后每 3 个月 1 次。良好的骨整合是在 X 线或断层融合成像技术 (tomosynthesis-shimadzu metal artefact reduction technology，T-SMART) 上观察到周围骨小梁结构和假体表面之间没有点状、桥状或者网状连接。每 3 个月进行 1 次胸部 CT 扫描以评估肺部转移情况；使用 MSTS 评分评估功能结果；记录盂肱关节活动范围 (range of motion，ROM)；评估并记录并发症发生。

七、统计学处理
统计分析使用 IBM SPSS 26.0 版统计软件 (IBM SPSS，Armonk，NY，United States) 进行。连续数据以图片表示。配对 t 检验用于比较连续变量。P <0.05 为差异有统计学意义。

结果

肱骨头直径：40.1～45.9 mm，平均 (42.2±2.0) mm；切除长度：75.6～176.0 mm，平均 (134.1±48.9) mm；残余肱骨近端长度：16.2～19.8 mm，平均 (17.6±1.1) mm；残余肱骨远端的长度：103.7～237.3 mm，平均 (151.35±62.2) mm (表 2)。

假体头部直径：33.0～42.0 mm，平均 (35.4±2.3) mm；根据不同的切除长度，假体长度：120.0～240.0 mm，平均 (180.8±42.7) mm；根据残余长度和髓内腔的直径，假体髓内柄长度：45.0～55.0 mm，平均 (47.7±3.8) mm；假体髓内柄直径：10.0～12.0 mm，平均 (10.7±1.8) mm (表 3)。
手术 2.1～4.2 h，平均 (3.3±0.7) h；术中出血量：150.0～340.0 ml，平均 (213.1±49.9) ml。所有患者均保留完整冈上肌及大部分冈下肌，小圆肌很少被保留，肩胛下肌的一部分被保留。术后随访20～63 个月，平均 45 个月。肌肉骨骼肿瘤协会评分 (musculoskeletal tumor society，MSTS) 得分为84%～99%，平均 94.4%；较术前明显改善，差异有统计学意义。系列随访中患肢平均短缩 1.64 cm，患侧肩关节平均 ROM 为前屈 84.8°，外展为 79.5°，后伸为 26.8°，内收为 16.2° (图 5)。

随访过程所有病例均未发现局部复发和远处转移。未发现假体的无菌性松动、断裂、脱位或深部感染。1 例患者术后伤口脂肪液化、浅表感染，经过分泌物培养、换药和有效抗生素治疗后伤口完全好转。1 例患者出现桡神经麻痹，术后 5 周完全恢复。术后 6 个月，用 T-SMART 观察到假体和骨之间骨长入良好，没有放射状粘连 (图 6)。术中数据以及肿瘤学和功能方面的结果 (表 4)。

表2 解剖数据 (mm)

表3 假体数据 (mm)

讨论

图5 例 1 术后 6 个月功能情况，随访见肩关节外展功能正常
图6 例 1 术后 6 个月复查影像学，T-SMART 显示早期骨长入良好

由于手术技术和假体设计的局限性，保留肩关节的极限甚至超极限瘤性缺损重建是颇具挑战的外科难题。本中心设计的 3D 打印多孔假体特具锥状结构和缝合孔，成功实现了肱骨近端超极限瘤性缺损的关节保留重建并取得了令人满意的功能效果。本研究中，该多孔假体成功地重建了肱骨缺损并保留了肩关节。患侧肩关节平均 ROM 为前屈 84.8°，外展为79.5°，后伸为 26.8°，内收为 16.2°。功能结果显示，MSTS 平均得分 94.4%，优于其它系列 [12,20,29]。术后6 个月所有病例影像学复查结果显示假体周围放射透光度消失，T-SMART 下可观察到良好的骨长入。

一、优化理念，精准设计，为骨整合夯实基础
得益于增材制造的不断发展和骨整合理论的深入研究，应用 3D 打印技术能够根据骨缺损的形状精确制造出与患者匹配的个性化假体，3D 打印技术通过对界面的孔隙化处理而在假体 -骨接触面处制造出类骨小梁结构以促进骨长入和骨整合，从而实现有效骨整合和人工假体长期稳定的使用 [30-31]。但因为假体微动会诱导骨吸收和形成纤维组织，骨整合可能会受此影响 [32]。为了减少微动，本研究在假体头部设计了均匀分布的锥形结构。锥状结构设计的特点如下：(1) 该设计增加了接触面和摩擦力以减少微动；(2) 轴向压力使锥状结构锚定在近端残端松质骨上，提高了初始旋转稳定性；(3) 锥状结构和松质骨的接触面增加，可以增强界面的剪切力以避免可能的相对位移；(4) 肱骨头与假体的紧密缝合提供了轴向稳定性，以防止骨与假体的分离。为加强固定，上端短髓针尖端凸起可增加与原肱骨头腔贴合紧密度；上端短髓针的环状隧道设计用于钢丝线固定原肱骨头腔与假体；下段假体柄预留克式针孔以便克式针穿越固定。此外，所有患者在最初 4 周内制动限制受累肩关节于被动活动，在此期间可进行良好的骨长入。多孔外层结构的优化和微动的控制为随后的功能康复奠定了基础。为了促进骨整合，对假体的结构进行了优化。以前的研究表明，界面的多孔结构 (孔径为 300～800 μm，孔隙率为 70%) 可以增强骨的生长 [33-37]。本假体头部的多孔外层应用了孔隙率为 70%、孔径为 600 μm 的多孔结构。

表4 术中情况、肿瘤和功能结果

由生物型固定引起的良好骨整合对假体的长期使用和关节保存至关重要。相较而言，骨水泥髓内固定是依靠骨水泥的黏附性来提供初始稳定性。有学者提出，高旋转应力和牵引力在骨水泥型假体的早期松动中起作用，并建议增加预防性的附加皮质外钢板来分担髓内固定的部分应力 [23]。然而，皮质外钢板的植入增加了假体相关并发症的风险，如感染和断裂。Yoshida 等 [19] 报道了 13 例因肱骨恶性骨肿瘤而接受骨水泥干假体重建的患者 (最短的髓内柄=3 cm)，其中 4 例发生无菌性松动，2 例出现假体周围骨折。假体相关总体并发症发生率为 31%。
切除长度和残余骨量是应用干假体的重要参数。Benevenia 等 [38] 建议，当残余骨长度 ≥ 4 cm时，干假体是肱骨缺损的良好重建方法。然而，髓内固定的长度严重限制了假体的应用。Abudu 等 [39]的研究表明，当髓内固定长度 <5 cm 时，干假体有很高的早期松动风险。当残余骨长度 <4 cm 时，Sewell 等 [40] 主张采用皮质外钢板来增强稳定性。当残余骨长度 <3 cm，甚至 2 cm 时，残存的肱骨头必须被舍弃以进行关节置换，这可能会导致稳定性下降以及肢体功能的永久性降低 [41]。笔者团队设计的具有锥状结构的 3D 打印生物型多孔肱骨干假体可以成功实现肱骨近端超极限瘤性缺损 (长度 <0.7 cm)关节保留重建。

二、注重手术操作和肩袖保留，获得良好功能
相比于其它重建方法，假体重建因其高可用性、低并发症率以及可接受的功能结果，可能是使用最广泛的方法 [14-15]。本研究使用 X 线、MRI 结合SPECT 数据的多模态图像融合技术，生成虚拟三维图像，显示肿瘤范围。对肿瘤边界和假体各部分长度的精确分析测量、仔细的手术模拟及严格的手术操作，最终达到有效的局部肿瘤控制。

本组 13 例随访中，均未出现半脱位或脱位的情况，甚至可以在矢状面完成环行运动，动态 X 线显示肩关节运动平稳。相比而言，有报道称患者在切除肱骨近端后，即使接受了关节置换术或植骨术，也会出现肩关节外展减少的情况 [42]。Pilliar 等 [43] 分析了来自 8 项肩关节置换术研究的 84 例患者，其MSTS 的平均得分是 70%，26% 的患者出现了机械失效。本中心研究的有利结果不仅取决于假体设计的合理性，还取决于重要的解剖结构保护和精确的手术技术。首先，肩关节和肩袖的保留直接导致了肩关节的良好功能。如果直接将残余的肩袖连接到同种异体移植物或假体上，但由于肩袖重建不当，不可避免地会发生一些近端脱位或半脱位 [44-45]。关节的保留减少了肌肉重建的难度和对肌肉嵌顿的损害，从而有利于术后恢复。其次，关节囊和肩袖的保留保持了关节的被动张力。当肩关节处于运动状态时，肩袖的被动张力在关节面之间提供了压迫应力，从而形成凹陷压缩，以稳定关节 [46]。此外，肩袖肌肉收缩的协调使各方向的压力保持平衡，有利于肩关节的稳定 [46-47]。本组 13 例均保留了肱骨头，大部分的肩袖保留完整。在截骨前，肩袖在解剖颈的每个附着点都用缝线牵引作了标记，并在假体植入后原位缝合。冈上肌完好无损，大部分冈下肌也被保留下来，因为其附着位置在截骨平面的上方。然而，部分肩胛下肌和大部分小圆肌被切除，以确保安全切缘。此外，本组使用 Marlex 补片来重建不完整的肌肉。因此，盂肱关节的稳定性得到了很好的保留，关节张力得以保持。在盂肱关节稳定的基础上，从假体表面的设计孔仔细缝合了影响肩关节外展的其它肌肉，如三角肌、胸大肌和胸小肌(图 7)。

三、本研究的局限性
本研究的局限性：(1) 是单臂的回顾性研究，非前瞻性研究；(2) 由于切除范围和疾病过程的不同，很难制订一个统一的可以进行比较的对照组；(3) 纳入的样本较少；(4) 随访时间较短；(5) 没有包括生物力学分析，无法明确阐明假体受力情况；(5) 尽管 T-SMART 技术，对骨整合界面进行了相关评估，并结合随访结果得出界面愈合的结论，但是诊断的“金标准”仍依赖于硬组织切片染色，本研究暂时无法进行这一相关验证。

图7 多模态重建显示肿瘤与假体位置关系及肩袖肌群附着点(1：肩胛下肌；2：冈上肌；3：冈下肌；4：小圆肌)

总之，短期随访结果提示，充分考虑到肩关节完整性和肩袖肌群张力平衡的 3D 打印多孔干假体重建术可获得良好的功能。一种具有锥状结构的 3D 打印生物型多孔肱骨干假体可以成功实现肱骨近端超极限瘤性缺损的关节保留重建。本假体的设计提高了初始稳定性并促进了骨整合，从而确保了假体良好的存留率。期待有更多患者使用该假体，也有更长时间的随访结果，来论证该假体的骨整合能力，为肱骨近端极限以及超极限瘤性缺损患者的关节保留重建提供新的选择。

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