王梓健 梅荣成

人工髋关节置换术已成为治疗严重髋关节病变的可靠而有效的手术治疗方法。但复杂的髋关节病变，如Crowe Ⅳ型发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)，外伤或感染后所致的髋关节畸形，融合髋，伴有髋臼侧严重骨缺损的髋关节翻修等，手术难度极大，手术失败率较高[1]。3D打印技术的出现为髋关节置换手术实现个体化、精准化带来了希望[2]。3D打印技术是一种以数字模型为基础，运用粉末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。无需机械加工或任何模具，可直接由计算机图形数据制作任何形状的零件。因此，3D打印技术被誉为第三次工业革命的代表性标志之一，可能颠覆传统制造业模式[3]。相比传统的减材铸造工艺而言，3D打印开创了增材制造方式。围绕个体化设计与应用，在髋关节置换手术中，3D打印技术能为患者定制个体化假体和个性化定制手术导板，利用打印的1∶1的实体模型完善详细的术前计划和手术预操作等，较好地解决传统髋关节置换手术中假体型号选择，假体位置判断以及严重关节畸形矫正等难点问题，提高髋关节置换术的成功率和翻修效果。

一、3D打印实体模型在复杂髋关节置换中的应用

根据病人术前三维CT影像学结果，利用计算机软件进行骨盆三维重建，将导出STL文件输入3D打印机中，即可获得1∶1骨盆模型。对于复杂的关节置换、翻修、骨重建等手术，传统的二维或三维影像学难以准确提供解剖结构、病变范围等具体信息[4]。解剖模型的使用并结合常规二维或三维影像可以更好地了解关节及病变周围解剖结构，提高诊断的准确性和不同观察者之间的一致性[5]。术前能够对病变部位进行全方位的直观观察，了解周围神经血管分布情况，确定骨性解剖标志，进行手术预操作，尽可能避免手术失误的发生。

DDH是临床常见的一种先天性畸形，是由于股骨头在关节囊内丧失其与髋臼正常关系而造成的髋关节无法正常发育。DDH随年龄增加可逐渐加重，严重者甚至致残。对于成人的DDH终末期病人，全髋置换术是一种有效的治疗方法。如何恢复正常的髋臼旋转中心，解决臼杯的充分骨覆盖，恢复髋关节周围软组织的应力平衡是DDH全髋置换常遇到的难题。对于Crowe Ⅲ、Ⅳ型的DDH病人，患髋病变畸形复杂多样，尤其是髋臼侧的解剖结构异常，髋臼变浅、变小甚至有假臼形成，并伴有不同程度的骨缺损，髋关节旋转中心向外，向上移位，术中难以确定真臼的位置，常造成髋臼侧假体安放位置过高，外翻角过大及髋臼侧骨性包容欠佳等问题[6]。

陈拥等[7]将3D打印模型辅助全髋关节置换治疗DDH。骨盆模型可以很好地展示DDH病人髋关节的解剖形态，更加直观地让术者了解髋臼壁缺损状况、真假臼的位置关系。并在体外模型上进行寻找髋臼中心，选择合适尺寸的臼杯，进行假体安放等手术模拟操作，降低了手术难度。帮助术者完善术前规划，获得精确的髋关节旋转中心，确定髋臼前倾角，外展角大小。对于病人而言，通过个性化的骨盆模型与病人进行病情介绍和术前交代，使病人和家属对病情、手术方式、手术风险有所理解。Xu等[8]运用3D打印模型为DDH病人实施全髋关节置换术，发现3D打印组各径线的测量值和术前计划值差异度更小，认为3D解剖模型可以帮助手术医师识别骨盆结构，确定假体大小，提高手术精度。Sánchez-Pérez等[9]对髋臼骨折后髋臼畸形病人应用3D打印模型模拟髋关节置换术，术中准确确定真臼位置，恢复了髋臼旋转中心，缩短了手术时间，减少了出血量。

伴有髋臼侧严重骨缺损的翻修是全髋翻修术中极具挑战性的手术。Paprosky等[10]根据以下标准将髋臼骨缺损分为3型：(1)泪滴破坏的程度；(2)Kohler线的完整性；(3)坐骨骨溶解的程度；(4)髋关节旋转中心的位置或者是髋关节旋转中心相对于上闭孔连线之间的移位距离，其中Paprosky Ⅲ型属于严重髋臼骨缺损，是全髋关节翻修手术中的一大难题。3D打印技术的出现为严重髋臼骨缺损的翻修带来了曙光，极大地降低了手术难度。Zerr等[11]将1例由于感染导致严重髋臼缺损的全髋关节置换术失败的病人，术前打印出患髋3D模型， 三维模型允许对髋臼部件在体外进行模拟手术，以确定臼杯的大小、位置和螺钉的方向。使术前计划更加完善，手术时间更短，取得了很好的疗效。

二、3D打印个性化定制手术导板在复杂髋关节置换中的应用

在全髋关节置换术中，理想髋关节植入物的方向和定位是预防术后脱位、满足日常生活活动和提高假体寿命的必要条件。结合三维打印技术的进步，髋关节置换术快速打印导航模板的使用也在不断增多，利用病人术前三维CT结果设计出假体的最佳固定方向，并提取髋臼表面解剖形态拟合成定位模板。快速成型制作后，在术中按照导航模板的指引，快速确定真臼位置，并按照设计角度打磨髋臼，可缩短手术时间，提高手术精度。涂强等[12]应用3D打印个性化手术导航模板对19例DDH进行全髋关节置换，术中在导板引导下快速确定真臼位置，假体与打磨好的髋臼窝完全匹配，术后随访Harris评分较术前明显改善，认为3D打印手术导航模板能够实现髋臼的精准定位，提高假体安装精度，从而达到更佳的手术效果。

3D打印手术导板在髋骨关节炎中应用较多。Small等[13]将36例髋骨关节炎需行全髋置换病人随机分为3D打印导板组和传统技术组，术后行CT比较手术结果与术前计划的差异，发现导板组前倾角、外展角与术前计划差异小于传统技术组，认为3D打印导板应用于全髋关节置换能够提高手术精度。 Spencer-Gardner等[14]为100例原发性或继发性髋骨关节炎行全髋置换，术中在3D打印导板引导下进行操作，术后CT扫描显示91%病人的臼杯位置与术前计划一致，认为3D打印导板能够实现臼杯的精确放置，优于手工操作。

3D打印手术导板定位精度取决于导板设计和骨表面接触区的手术准备，导板需与宿主骨性结构尽可能贴合，对于原有骨结构表面缺乏特征标志或难以剥离骨表面软组织导致导板与骨面不能完全贴合的情况，将会增加手术误差，设计及应用辅助导板时均应考虑到这些因素。

三、3D打印抗生素骨水泥占位器在髋关节置换后感染中的应用

假体周围感染对于髋关节置换病人来说是灾难性的并发症，感染后二期翻修已经被证实是目前根治感染最有效的技术方法，已成为当前治疗的金标准。但假体去除之后临时间隔器的制作在国内外尚无统一的标准及制作方法。临床中多用固定型号的模具制作或手工制作抗生素骨水泥占位器，型号不匹配易造成运动时疼痛，异响，并会出现占位器脱位，断裂等并发症。3D打印技术能够个性化制作抗生素骨水泥占位器，匹配度良好，术后关节功能好，便于二期翻修。孙海滨等[15]3D打印出病人关节模型，再根据模型制作占位器模具，或直接3D打印出模具，术中在制作占位器时将2枚3mm直径斯氏针预弯为 130度做为临时间隔器支架，增加股骨柄的强度，利用此模具制作的临时间隔器更符合局部关节形态，具备个体化特征，置入后可使关节保持适当的间隙及张力，避免两次手术之间的间隔期产生关节囊及周围软组织挛缩，预防长期卧床所致的废用性骨量丢失，减少关节内软组织粘连和瘢痕形成，可提供有效关节式活动，改善病人的生活质量，为二期假体的翻修创造良好的条件。

李远辉等[16]采用3D打印抗生素骨水泥占位器作为终极治疗手段治疗4例年老体弱髋关节置换后感染病人，4例病人均于术后2周伤口愈合，无残留窦道，4例病人末次随访均无翻修，目测类比疼痛评分和Harris评分较术前有显著性提高，并保留了一定的髋关节功能。认为对于年老体弱病人，采用3D打印抗生素骨水泥股骨头占位器能有效控制髋关节置换后感染，且保留一定的髋关节功能，可作为终极治疗方法。

四、3D打印植入物、假体在髋关节置换中的应用

3D打印技术作为一种新型工业技术，在医学领域展现的优越性越来越受众多学者的关注[17]。在金属3D打印中，电子束熔融(electron beam melting，EBM)与选择性激光熔融(selective laser melting，SLM)为最常用的金属3D打印生产方式[18]。目前可供EBM技术应用的金属材料为Ti6Al4V，基于3D打印技术上的限制，常见的钴铬合金、不锈钢等尚不能实现3D打印。EBM技术一个重要的特点是更容易实现金属材料的多孔化设计，且植入材料Ti6Al4V具有优越的生物学特性，非常适合作为骨植入材料。EBM技术另一项重要的特点是实现了3D打印金属植入物的量产化，例如，采用EBM技术3D打印批量生产的Delta TT(trabecular titanium)臼杯、InteGrip臼杯等在全髋关节置换术领域中已经开始应用[19]。程文俊等[20]使用3D打印钛合金骨小梁金属臼杯进行初次全髋关节置换，术后6个月影像学显示臼杯稳定，骨长入优异，无松动及骨溶解，5年生存率为100%。

初次或翻修全髋关节置换术术中重度髋臼骨缺损的重建一直以来都是关节外科医生面临的挑战。髋臼骨缺损重建的基本原则，是以恢复髋关节正常旋转中心为主要目标，且尽可能多的保留原始骨量，重建后髋臼假体初期稳定性良好，并能逐渐获得远期稳定性。严重骨缺损时，常规标准假体往往不能满足手术要求。3D打印技术以病人影像资料为依据，基于病人的病变实际情况“量身定制”个体化的植入物或假体，保证了植入物或假体在解剖学形态上与病人残余骨结构达到良好适配，最大程度恢复关节功能。付君等[21]报道个性化3D打印多孔钛合金加强块重建重度髋臼骨缺损病例11例，术后随访6～26个月，发现加强块与缺损骨面和臼杯匹配良好，术后双下肢长度差和髋关节旋转中心均恢复到满意，HHS评分末次随访时改善明显。Wang等[22]应用3D打印技术为17例伴有严重骨缺损全髋置换病人制备个性化定制cage，术后平均随访2年发现3D打印组Harris评分优于传统置换组。Goriainov等[23]报道对于因多次翻修导致严重骨缺损的病人，采用3D打印假体结合自体骨髓干细胞植入治疗，共11例，随访19.5个月，所有病人的髋关节功能评分较术前均有显著性提高，没有出现手术并发症，没有脱位或感染或需要进一步手术。

五、 临床结果与展望

目前3D打印技术在髋关节手术应用尚处于初步阶段，对于个体化3D打印假体，目前尚无统一的制作标准及规范，术前准备时间较长，术中假体植入比较困难，假体不能随意更换，使用灵活性受到一定的限制。在因故需取除假体时(如因感染而翻修)会致较大的骨质损失等。因此，要强调适应证的选择。相信随着相关技术的发展，材料学的进步，法律及监管的完善，上述问题将会被逐步解决。3D打印技术必将会为髋关节外科的发展提供更多的动力，为病人提供更多的选择。