西京医院 l 骨肉瘤切除患者 3D 打印假体置换保留自体关节重建患肢功能八例报告

| 3DScienceValley · 2024/03/07

谷专栏

【摘要】

目的： 探讨骨肉瘤切除后使用 3D 打印假体进行复杂的保留自体关节重建的临床疗效。

方法： 介绍 2017 年 1 月至 2019 年 12 月，在我院行下肢骨肉瘤者 8 例行 3D 打印假体置换者，术前设计、手术步骤及操作要点、术后随访及影像学评估结果。结果 8 例术后平均随访 43.5 (36～60) 个月。至末次随访，7 例存活且无肿瘤局部复发及远隔转移，1 例随访 36 个月，出现肺转移。7 例的假体均未出现松动及断裂，随着随访时间的延长，术后即刻假体 -骨界面存在的间隙逐渐有新骨组织长入，并向假体边缘延伸包裹假体，形成“焊接式”整合。1 例在末次随访时发生假体断裂。患者术后末次随访平均 MSTS 功能评分为 93.81%(91.81%～96.87%)。

结论： 3D 打印假体的界面骨整合能力对复杂的保留自体关节面手术临床效果满意，随着其制造和质量规范进一步标准化，可为肢体恶性肿瘤切除后能保留自体关节的患者提供一种新的选择。

【关键词】打印；三维；骨肉瘤；假体植入；矫形外科手术

研究背景

肢体关节周围骨肉瘤切除后，保留自体关节可以使患者保留正常的关节结构，从而使患者获得具有更好地本体感觉的关节功能并可持久使用 [1]。临床上对于肿瘤未侵犯骨骺的患者有保留自体关节的适应证，但保留自体关节面的保肢重建是目前临床面临的难点，尤其是 <1 cm 超薄厚度的关节面保留更具有难度。

以往保留关节的肿瘤切除后骨缺损重建以异体骨、肿瘤灭活骨及机械加工假体为主，但以上方法均存在一定缺陷 [2-3]。异体骨来源有限，且存在异体骨不愈合并发症 [4]。肿瘤灭活骨存在肿瘤复发的风险 [5]。机械加工假体生物性能较差，常伴有感染、假体松动等并发症 [6]。3D 打印个体化设计假体已在临床上得到广泛应用，与传统机加工相比，3D 打印可以做到个体化设计，与骨缺损达成更好地匹配 [7]。但保留的超薄厚度关节面与 3D 打印假体界面无法实施牢固的固定，所以假体与骨界面的整合能否为保留关节提供足够的稳定性有待临床进一步观察评估。

本研究通过对 8 例 3D 打印假体修复重建保留自体关节病例的临床资料做回顾性分析，目的在于探讨：(1) 保留自体关节的有效手术方案；(2) 评估 3D 打印假体修复重建保留自体关节的临床疗效；(3) 随访评估超薄厚度关节面保留的功能优势。

资料与方法

一、纳入标准与排除标准

1.纳入标准：(1) 病理学诊断为骨肉瘤者；(2)具备保肢条件，无手术禁忌者；(3) 干骺端肿瘤未突破骺板者；(4) 自愿接受 3D 打印假体植入并签署知情同意书者。
2.排除标准：远处转移或肿瘤不可切除者；(2)心肺功能不全或其它系统重大疾病者；(3) 干骺端肿瘤突破骺板无保留自体关节面适应证者；(4) 患精神或神经系统疾病，无法配合治疗者。

本研究经西京医院伦理学委员会批准，于术前签署知情同意书。

本研究共纳入 8 例，男 2 例，女 6 例，年龄6～30 岁，平均 11.8 岁。病理学结果均为骨肉瘤，外科分期均为 Enneking ⅡB 期。肿瘤部位胫骨近端4 例，股骨远端 2 例，胫骨远端 2 例。其中 1 例胫骨远端患者，外院按良性肿瘤给予行刮除植骨内固定术，术后病理诊断为骨肉瘤。所有患者术前均行新辅助化疗，均无远隔转移 (表 1)。

二、3D 打印假体的设计制备

术前对患肢行 0.625 mm 的薄层 CT 扫描，获得DICOM 格式图像数据，将数据导入 minics17.0 软件(Materialise 公司，比利时) 中进行三维重建，距肿瘤安全边界：近关节端至少 >1 cm、远离关节端至少 >2 cm 设计截骨平面，并结合患者个体的骨性解剖特征，设计手术截骨导板以便于术中进行精确截骨。假体打印材料为钛合金 (Ti6Al4V)，采用多孔结构，孔隙率 55%～65%，孔经为 600～800 μm。保留关节厚度若 >1 cm，假体两端可设计一体化的接骨板以固定。保留的关节厚度若 <1 cm，假体和关节接触面固定设计 2 枚埋头螺钉固定，钉头朝向关节非负重区域，假体周边设计小孔用于和保留关节周围软组织缝合固定 (图 1a、b)，假体与骨接触面均为多孔设计以利于骨长入。同时假体的设计融入拓扑结构优化的理念，对假体力学需求较高的部分进行拓扑力学增强 (图 1b、c)，其它部分则设计为多孔网格状结构以促进假体与周围组织的整合 (图 1d)。对于体重大、骨缺损长度 >20 cm 者，假体主体部分采用机加工制作，仅骨接触面采用 3D 打印多孔设计。胫骨远端假体接触端按照保留关节面的解剖特点设计数个小锥状结构，用以插入保留的骨质内形成即刻的稳定。假体加工制作使用激光熔融技术(selective laser melting technology，SLM) 在西安铂力特激光成形技术有限公司完成。在临床应用之前，需对假体进行热处理，除粉，清洗及消毒灭菌。

表1 8 例采用 3D 打印假体修复重建保留自体关节面的骨肉瘤患者的临床资料及随访

图1 3D 打印假体的设计 a：minics 软件系统内设计假体过程；b：对假体力学需求较高的部分进行拓扑力学增强 (红色区域)，假体关节端周边设计和关节周围软组织的缝合的小孔；c：设计假体和自体关节面固定的埋头螺钉孔 (黑色箭头标记)；d：设计完成的模型

三、手术方法

手术在全身麻醉下完成，主要分为肿瘤切除和假体安装两个关键步骤。

按照肿瘤切除原则充分显露肿瘤后，利用术前设计的 3D 打印截骨导板进行定位并截骨，完整切除肿瘤。

假体安装于骨缺损部位，对于胫骨近端关节面保留 <1 cm 者，假体与关节面通过 2 枚螺钉固定。胫骨远端关节面保留 <1 cm 者，假体与关节面通过假体的锥状结构或特殊设计的螺钉方向固定维持接触面稳定。关节面保留 >1 cm 者利用假体两端一体化设计的接骨板进行固定。如有需要可适当增加接骨板进行增强固定。1 例胫骨远端体部为机加工的假体近端和胫骨采用髓内骨水泥固定。关节囊周围的软组织和假体设计的孔缝合在一起，以利于软组织和假体粘连，增强关节的稳定性。

四、术后处理

术后应用抗生素 1 周，给予石膏或支具固定6 周，术后 2 个月逐渐康复锻炼关节功能，并根据关节稳定性逐渐负重训练，关节稳定性不佳者暂借助支具保护训练。

五、随访及疗效评价

术后 3 年内每 3 个月随访 1 次，3 年后每半年随访 1 次。随访时通过观察和测量 X 线片上假体与宿主骨间隙骨组织长入的情况以及假体周围新生骨痂迁移的情况来定性和定量评估假体骨整合程度。利用国际骨骼肌肉肿瘤保肢 (MSTS) 功能评分系统对肢体的功能状态进行评估 [8]。包括疼痛、整体功能、情感上的接受程度、支持能力、行走能力、步态 6 个方面，结果以百分比表示。同时行胸部 CT 检查，观察肿瘤有无转移等情况。

结果

一、手术情况

所有患者均按术前计划完成手术，手术时间：80～140 min，平均 110 min，失血量：100～300 ml，平均 220 ml，肿瘤切除后骨缺损长度：7.2～22.0 cm，平均 16.5 cm，保留关节面厚度：0.75～2.50 cm，平均 1.37 cm，手术顺利，未出现严重围术期并发症。

二、肿瘤学结果及重建效果

术后随访 36～60 个月，平均 43.5 个月。所有患者均按骨肉瘤标准治疗方案完成新辅助及辅助化疗。至末次随访，7 例存活且无肿瘤局部复发及远隔转移；1 例随访 36 个月出现肺转移。末次随访影像学检查显示 7 例的假体均未出现松动及断裂，尤其重要的是假体与保留关节接触面形成紧密的界面骨整合。随着随访时间的延长，术后假体与骨界面存在的间隙逐渐有新骨组织长入，并向假体边缘延伸包裹假体，形成“焊接式”整合。1 例 9 岁患儿，体重 65 kg，在随访 49 个月时发生假体应力集中部位断裂 (图 2～4)。

典型病例

例 1 男性，9 岁，因右小腿疼痛 5 个月就诊当地医院，影像学检查提示右胫骨上段骨质破坏，行活检后病理确诊为骨肉瘤，予术前新辅助化疗4 次，影像学评估化疗效果显示肿瘤较化疗前缩小，边界变清晰，更重要的信息是肿瘤未突破胫骨近端的骨骺板，可施行保留胫骨平台自体关节面手术，制订手术计划为：瘤段切除、保留自体关节、3D 打印假体重建修复骨缺损。扫描 CT 采集数据行3D 打印假体设计，假体定制完成后施行手术。术中瘤段近端在骺板上安全界限截骨，保留胫骨平台关节面 0.8 cm 的厚度，完整切除瘤段后安装定制的3D 打印假体，按假体设计的固定通道将假体与自体骨固定，将关节囊周围软组织和假体近端缝合。术后膝关节伸直位支具固定 6 周，开始被动非负重状态下锻炼膝关节屈伸功能，术后 2 个月开始扶拐部分负重锻炼，初始负重锻炼时膝关节乏力，行走不稳，通过锻炼恢复肌力后关节功能逐渐改善，术后12 个月 MSTS 评分 94.79%。随访 49 个月时发生假体应力集中部位断裂 (图 2)。

例 2 女性，30 岁，因右小腿下段疼痛 1 个月就诊当地医院，X 线检查提示右胫骨下段骨质密度不均匀增高，病灶边缘模糊，当地医院以良性肿瘤给予行病灶刮除植骨内固定术，术后病理证实为骨肉瘤，按骨肉瘤治疗方案予新辅助化疗 4 次，影像学评估显示肿瘤范围未进一步扩大，局限在骨内原手术区域内，原内固定钢板以远未受到肿瘤侵犯，拟施行瘤段切除、保留胫骨远端关节面、假体重建修复骨缺损。假体主体部分机加工制作以增加强度，远端设计为多锥状 3D 打印多孔结构，近端髓内固定。瘤段完整切除后保留胫骨远端关节面 1.0 cm，按设计要求安装假体，术后踝关节功能位支具固定6 周，开始被动非负重状态下锻炼踝关节功能，术后 2 个月开始扶拐部分负重锻炼，关节功能逐渐改善，术后 6 个月 MSTS 评分 92.75%。随访 37 个月假体远端 3D 打印界面与自体骨界面形成紧密骨整合，假体状态完好，未见肿瘤复发转移 (图 3)。

例 3 女性，9 岁，因左小腿远端疼痛 3 个月就诊我院，影像学检查提示左胫骨下段骨质破坏，行活检后病理确诊为骨肉瘤，予术前新辅助化疗4 次，影像学评估化疗效果显示肿瘤边界较化疗前变清晰，肿瘤侵犯范围未突破胫骨远端的骨骺板，可施行保留胫骨远端自体关节面手术，制订手术计划为：瘤段切除、保留自体关节、3D 打印假体重建修复骨缺损。扫描 CT 采集数据行 3D 打印假体设计，假体定制完成后施行手术。术中瘤段远端在骺板上安全界限截骨，保留胫骨远端关节面 1.0 cm 的厚度，完整切除瘤段后安装定制的 3D 打印假体，按假体设计的固定通道将假体与自体骨固定。术后踝关节功能位支具固定 6 周，开始被动非负重状态下锻炼踝关节功能，术后 2 个月开始扶拐部分负重锻炼，关节功能逐渐改善，术后 6 个月 MSTS 评分92.45%。随访 36 个月假体远端 3D 打印界面与自体骨界面形成紧密骨整合，假体状态完好，未见肿瘤复发，但胸部 CT 提示肺部远隔转移 (图 4)。

三、临床功能评价

图2 a：术前 X 线示胫骨中上段骨质破坏，肿瘤未突破骺板；b、c：肿瘤切除后 3D 打印术后 3 个月正侧位 X 线片，保留关节面厚度0.80 cm (白色箭头所示)；d：术后 49 个月，保留的关节面生长发育，较术后 3 个月所示关节面增厚增大，但假体远端应力集中部位发生断裂 (黑色箭头所示)；e：侧位显示保留关节面向假体边缘延伸生长并包裹假体；术后功能随访，可完成骑行运动

图3 a：术前 X 线显示右胫骨远端骨质破坏；b：初次手术给予刮除植骨内固定术，术后病理证实提示为骨肉瘤；c：以远端保留关节面的解剖特征设计 3D 打印假体；d：术中肿瘤切除，假体体部为机加工，关节端为锥状的多孔 3D 打印结构；e：术中假体安装完成；f、g：术后 37 个月，假体远端的 3D 打印结构与自体关节面形成紧密的结合；h：病理 (HE × 10)；i：术后功能随访，负重爬楼梯无障碍
图4 a：术前 X 线显示左胫骨远端骨质破坏伴周围骨膜反应；b：术中瘤段切除，保留远端自体关节面；c：术中 3D 打印假体安装完成；d：术后随访 36 个月，假体远近端骨接触面与自体骨均形成紧密骨结合

术后 2 个月扶拐部分负重，保留关节面厚度 <1 cm 者，初始负重时出现关节不稳，无法支撑行走，需支具保护，通过锻炼患肢肌力及关节功能，随着术后时间的延长，关节稳定性逐渐增强。至末次随访时间，除 1 例成年患者手术肢体未出现短缩外，其余 7 例均出现不同程度肢体短缩 0～3 cm，平均1.56 cm。患者手术肢体 MSTS 功能评分为 91.81%～96.87%，平均 93.81%，所有患者评分均 >90.00%，能正常活动。在 MSTS 评分因素中，步态是扣分的主要因素，所有患者均有不同程度的跛行 (表 1)。

讨论

Takeuchi 等 [9] 报道肢体恶性肿瘤切除后保留自体关节能够给患者带来诸多获益，例如儿童患者保留的关节仍具备一定的生长能力，且关节功能优于人工关节等，但需要确保肿瘤切除边界安全。但保留自体关节的手术适应证及有效的手术方案选择仍然是目前临床的难点，尤其是保留超薄厚度 (<1 cm)关节面厚度的重建方法及长期随访功能鲜有报道。

一、肢体恶性肿瘤切除保留自体关节手术方案选择

在 3D 打印假体应用于临床之前，恶性肿瘤保肢大多采用传统假体或模块化的组配假体，这些假体设计之初是以成年患者的骨骼设计的，所以用在儿童保肢存在诸多临床固有问题，具体表现有假体尺寸不匹配，形成应力遮挡、假体周围骨折及无菌性松动等并发症 [10-11]，甚至对年龄更小的儿童无法使用。若采取异体骨重建，由于异体骨捐献者来自成人，也存在不匹配问题，需要修整以匹配儿童骨骼，这使得骨质强度减弱，容易导致骨折，而且异体骨来源受限，存在排异反应、骨不愈合等并发症。3D 打印假体的开发应用开辟了恶性骨肿瘤切除后保肢手术的创新领域 [12-13]，其主要优势为：(1)基于患者影像学数据进行术前个性化设计，在解剖学上达到精准匹配；(2) 假体的表面设计多孔结构，有利于组织长入，尤其是界面骨整合更具有优势；(3) 可以实现复杂解剖学结构的重建 [14]。这些优势有效地解决了儿童保肢修复重建的难题，克服了上述传统保肢手术方法的缺陷，尤其在保留自体关节面的重建方面更具有优势，在 <1 cm 的超薄厚度关节面保留方面，由于 3D 打印假体优越的界面骨整合能力，使得假体和保留关节面在短期内即形成牢固的结合，提供初始稳定性，代表了 3D 打印假体界面的生物学优势。本组有 5 例保留关节面 ≤1 cm，由于关节面无足够厚度，无法和假体完成一体式牢固固定。本研究利用剩余关节面的解剖学特征，个体化设计出假体界面的特殊结构，以有效和保留关节面完成临时固定，后期通过骨整合形成牢固结合，这也体现了 3D 打印个体化定制的优势。

二、3D 打印假体修复重建保留自体关节的临床效果

保留自体关节面的修复重建早期使用大段异体骨重建的方式较多，但前提是需要保留关节面有足够厚度，以便于采用内固定将保留关节面和异体骨段牢固固定，即使如此，由于异体骨和自体骨不愈合，导致远期内固定断裂的发生率较高。近年来本研究中心采用腓骨瓣复合异体骨的方式修复重建保留自体关节面，取得了良好的临床效果 [15-16]，但对于儿童的超薄关节面保留，此种方式仍然受到限制。首先，关节面保留 <1 cm，无法和异体骨行有效固定，腓骨瓣也没有空间插入保留的关节面内，使得腓骨瓣无法和保留关节面快速建立血运，而固定不稳定会导致异体骨和自体骨难以形成有效愈合；其次，儿童腓骨较细，利用腓骨进行重建其骨量有限，而且血管显微吻合难度大，术后腓骨血供难以保障，另一方面，腓骨缺如对儿童下肢骨骼发育具有不良的影响，易导致下肢部分功能受限。3D打印金属假体具有良好的解剖学匹配度，可精确重建并恢复肢体功能，早中期随访患者满意度较高，在骨关节重建领域取得了良好的应用 [17]。牛晓颖等 [18] 报道了 3D 打印定制化假体应用于 10 例青少年股骨原发恶性骨肿瘤的修复重建，通过假体的优化设计及精确截骨保留了股骨远端骨骺及关节面。然而对于仅残留超薄关节面的骨缺损重建，仍然存在巨大挑战 [19]。

本组 8 例均采用个体化设计的 3D 打印假体修复重建保留自体关节面，由于假体界面优越的骨整合能力以及特殊的个体化结构设计，使得关节面短期内和假体形成紧密牢固的结合，术后 2 个月即可负重锻炼，而且随着时间延长，保留关节面向假体界面周围生长延伸，将原本有缝隙的空间覆盖包裹，形成更加牢固的结合，再因其多孔结构提供良好的关节周围软组织黏附的能力，从而提供优越的关节稳定性。所有病例术后平均随访 43.5 个月，MSTS 评分平均达到 93.81%，提示 3D 打印假体修复重建保留自体关节的临床效果满意。

三、本研究 3D 打印假体的不足及经验总结

尽管本研究的 3D 打印假体经过拓扑优化设计，对假体力学需求较高的部分进行拓扑力学增强，但依然有 1 例骨缺损超过 20 cm 的患者，术后49 个月随访后发现假体应力集中部位断裂，提示本研究的假体在设计和制备上还需要进一步改进。而目前临床 3D 打印假体的制造和质量规范尚没有统一标准，制造装备的创新和突破仍需要临床验证，尤其是超长节段假体长期服役后的疲劳强度应重点考虑在设计和制造过程中，而这些问题需要大量临床试验提供数据支持。尽管本研究的初步结果显示 3D打印假体修复重建保留自体关节面效果满意，尤其是超薄厚度关节面的保留上显示了其优越性，但仍需要更多患者和更长随访时间的进一步研究来证实其有效性。

参考文献
[1] Groundland JS,Binitie O.Reconstruction after tumor resection in the growing child[J].Orthop Clin North Am,2016,47(1):265-281.DOI: 10.1016/j.ocl.2015.08.027.
[2] Kamal AF,Widyawarman H,Husodo K,et al.Clinical outcome and survival of osteosarcoma patients in cipto mangunkusumo hospital: limb salvage surgery versus amputation[J].Acta Med Indones,2016,48(3):175-183.
[3] Ottaviani G,Rober RS,Huh WW,et al.Functional,psychosocial and professional outcomes in long-term survivors of lower-extremity osteosarcomas: amputation versus limb salvage[J].Cancer Treat Res,2009,152:421-436.DOI:10.1007/978-1-4419-0284-9_23.
[4] Yoshida Y,Osaka S,Tokuhashi Y.Experience with extendable prostheses for malignant bone tumors in children[J].J Formos Med Assoc,2011,110(11):711-715.DOI: 10.1016/j.jfma.2011.09.008.
[5] Yang J,Zhu B,Fu K,et al.The long-term outcomes following the use of inactivated autograft in the treatment of primary malignant musculoskeletal tumor[J].J Orthop Surg Res,2015,10:1-8.DOI: 10.1186/s13018-015-0324-3.
[6] Kim JD,Lee GW,Chung SH.A reconstruction with extracorporeal irradiated autograft in osteosarcoma around the knee[J].J Surg Oncol,2011,104(2):187-191.DOI: 10.1002/jso.21902.
[7] Fan HB,Fu J,Li XD,et al.Implantation of customized 3-D printed titanium prosthesis in limb salvage surgery: a case series and review of the literature[J].World J Surg Oncol,2015,13:308-318.DOI: 10.1186/s12957-015-0723-2.
[8] Enneking WF,Dunham W,Gebhardt MC,et al.A system for the functional evaluation of reconstructive procedures after surgical treatment of tumors of the musculoskeletal system[J].Clin Orthop Relat Res,1993,286:241-246.DOI: 10.1007/978-1-4471-5451-8_128.
[9] Takeuchi A,Yamamoto N,Hayashi K,et al.Joint-preservation surgery for pediatric osteosarcoma of the knee joint[J].Cancer Metastasis Rev,2019,38(4):709-722.DOI: 10.1007/s10555-019-09835-z.
[10] Henderson ER,O’Connor MI,Ruggieri P,et al.Classification of failure of limb salvage after reconstructive surgery for bone tumours: a modified system Including biological and expandable reconstructions[J].Bone Joint J,2014,96-B(11):1436-1440.DOI: 10.1302/0301-620X.96B11.34747.
[11] Henderson ER,Groundland JS,Pala E,et al.Failure mode classification for tumor endoprostheses: retrospective review of five institutions and a literature review[J].J Bone Joint Surg Am,2011,93-B:418-429.DOI: 10.2106/JBJS.J.00834.
[12] Beltrami G,Ristori G,Scoccianti G,et al.Latissimus dorsi rotational flap combined with a custom-made scapular prosthesis after oncological surgical resection: a report of two patients[J].BMC Cancer,2018,18(1):1003-1010.DOI:10.1186/s12885-018-4883-7.
[13] Beltrami G.Custom 3D-printed finger proximal phalanx as salvage of limb function after aggressive recurrence of giant cell tumour[J].BMJ Case Rep,2018,2018:bcr2018226007.DOI: 10.1136/bcr-2018-226007.
[14] 鲁亚杰,龙作尧,李明辉,等.下肢骨肉瘤切除后大段骨缺损患者的 3D 打印假体复合 β-TCP 生物陶瓷重建[J].中国骨与关节杂志,2019,1(8):21-26.DOI: 10.3969/j.issn.2095-252X.2019.01.005.
[15] Li J,Zhang F,Yang M,et al.Extracorporeally frozen tumourbearing bone combined with free vascularised fibula for the intercalary reconstruction of femoral defect after resection of bony sarcoma[J].J Plast Reconstr Aesthet Surg,2016,69(6):856-863.DOI: 10.1016/j.bjps.2016.02.018.
[16] Li J,Chen G,Lu Y,et al.Factors influencing osseous union following surgical treatment of bone tumors with use of the capanna technique[J].J Bone Joint Surg Am,2019,101(22):2036-2043.DOI: 10.2106/JBJS.19.00380.
[17] 崔宇韬,李祖浩,万谦,等.3D 打印金属假体在关节外科的临床应用[J].中国修复重建外科杂志,2019,33(6):774-777.DOI: 10.7507/1002-1892.201901022.
[18] 牛晓颖,高世磊,屈国新,等.3D 打印定制保留骨骺及关节面假体在青少年股骨原发恶性骨肿瘤大段骨缺损重建中的应用[J].中国修复重建外科杂志,2022,36(11):1374-1380.DOI:10.7507/1002-1892.202206058.
[19] Chen G,Li M,Xiao X,et al.A classification system of joint-salvage tumor resection in osteosarcoma of the knee:a retrospective cohort study[J].Knee,2023,41:221-231.DOI:10.1016/j.knee.2023.01.011.