隨著我國人口不斷增長和老齡化趨勢與日俱增，需要進行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者逐年增加。人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)的進步和假體設(shè)計及工藝的改進，使人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)已成為治療髖關(guān)節(jié)終末期疾病[股骨頭壞死，先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(DDH)，股骨頸骨折，退行性髖關(guān)節(jié)炎，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎，強直性脊柱炎等]最有效的治療方法之一。相關(guān)調(diào)查顯示：2014年全年我國人工關(guān)節(jié)置換術(shù)總量已達近40萬例，其中近60%為人工髖關(guān)節(jié)置換。該手術(shù)方式對于減輕患者疼痛，恢復(fù)髖關(guān)節(jié)活動度，提高髖關(guān)節(jié)功能，改善患者生存品質(zhì)意義重大而深遠。髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)則是初次置換后由于各種原因?qū)е录袤w不能繼續(xù)使用所進行的補救措施，包括清除感染灶，更換假體等，患者骨盆往往存在較大的骨缺損，甚至骨盆不連續(xù)。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，對于那些髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良，髖關(guān)節(jié)術(shù)后出現(xiàn)骨盆缺損的患者，無疑是開辟了一條個體化醫(yī)療，精準醫(yī)療的全新道路。

3D打印技術(shù)是一種材料快速成型技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的減材加工技術(shù)，它是以“分層制造，逐層疊加”為原理，通過計算機輔助設(shè)計及制作技術(shù)(CAD)，數(shù)控技術(shù)，利用激光束或電子束將熱塑性材料或液態(tài)金屬等可黏合材料，逐層堆積，疊加成型為三維實體的打印方法，又稱“增材制造”。近幾年來，由于3D打印材料科學(xué)的不斷發(fā)展，操作控制系統(tǒng)的不斷完善，3D打印技術(shù)不只在工業(yè)設(shè)計，零件制造等方面大放異彩，同時也越來越受到醫(yī)療行業(yè)者的關(guān)注與重視。現(xiàn)將結(jié)合國內(nèi)外文獻，對現(xiàn)階段3D打印技術(shù)在全髖關(guān)節(jié)置換/翻修術(shù)的臨床應(yīng)用進行回顧，并對其未來發(fā)展方向進行探討與展望。
3D打印技術(shù)在全髖關(guān)節(jié)置換/翻修術(shù)中應(yīng)用的現(xiàn)狀
      髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良患者的骨盆3D打印及導(dǎo)航模板的使用：DDH是一種目前病因尚不明確的先天性髖部疾病?；颊咂涞湫陀跋駥W(xué)表現(xiàn)為髖臼對股骨頭的覆蓋減少，髖臼壁淺而薄，多存在髖臼骨缺損，骨質(zhì)硬化，出現(xiàn)假臼等改變并伴有不同程度的臀中肌萎縮。而對于CroweIII/IV型的發(fā)育不良患者，由于其髖臼缺損嚴重，股骨頭脫位明顯，臨床治療常面臨巨大挑戰(zhàn)。目前，對于成人中、晚期DDH患者，THA已經(jīng)成為其手術(shù)治療的最優(yōu)選擇。但是由于DDH患者解剖學(xué)的變異以及人為主觀因素，髖臼重建位置往往并不完全精確，存在相對較高的假體松動可能。

 根據(jù)患者術(shù)前三維CT影像學(xué)結(jié)果，利用計算機軟件進行骨盆三維重建。將導(dǎo)出STL文件輸入3D打印機中，即可獲得1∶1骨盆模型。骨盆模型可以很好地展示DDH患者髖關(guān)節(jié)的解剖形態(tài)，更加直觀地讓術(shù)者了解髖臼壁缺損狀況，真假臼的位置關(guān)系。進而有效地幫助術(shù)者完善術(shù)前規(guī)劃，獲得精確的髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，利用髖臼銼預(yù)計打磨深度，初步獲得臼杯(股骨頭)直徑數(shù)據(jù)，精確髖臼前傾角，外展角大小。3D打印骨盆不僅能夠指導(dǎo)手術(shù)計劃，模擬手術(shù)操作，更是提高了手術(shù)精度和安全性，減少手術(shù)時間，降低了手術(shù)的難度。而對于患者而言，通過個性化的骨盆模型與患者進行病情介紹和術(shù)前交代，使患者和家屬對病情，手術(shù)方式，手術(shù)風(fēng)險有了更深刻的理解?；颊叻答伇硎緷M意，提升了患者的依從性和醫(yī)療評價。由于術(shù)前的充分規(guī)劃以及術(shù)中風(fēng)險的充分預(yù)知，進行骨盆3D打印患者的手術(shù)結(jié)果相對較好，并發(fā)癥出現(xiàn)率顯著降低。
     近幾年來，快速打印導(dǎo)航模板的使用也在不斷增多，利用患者術(shù)前三維CT結(jié)果設(shè)計出假體的最佳固定方向，并提取髖臼表面解剖形態(tài)擬合成定位模板。快速成型制作后，在術(shù)中按照導(dǎo)航模板的指引，快速確定真臼位置，并按照設(shè)計角度打磨髖臼，可縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)精度，取得很好療效。
     髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的3D打印應(yīng)用：隨著髖關(guān)節(jié)置換術(shù)數(shù)量逐年上漲，由于感染，假體松動等術(shù)后并發(fā)癥所導(dǎo)致的需要翻修的患者也在悄然增加。假體無菌性松動與不穩(wěn)定(66%)和感染(15%)是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后兩種最嚴重的并發(fā)癥。它們不僅影響患者的身心健康，生活質(zhì)量，更增加了骨科醫(yī)生的治療難度。髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)，無論是髖臼側(cè)，還是股骨側(cè)，骨缺損通常都會非常嚴重，手術(shù)難度較大。

Zerr等團隊與Hughes等團隊分別于2016年，2017年進行髖關(guān)節(jié)翻修患者的骨盆3D打印模型研究，在翻修術(shù)前使用骨盆模型進行手術(shù)預(yù)演，逐層打磨，預(yù)計臼杯大小。根據(jù)骨缺損程度，選擇使用結(jié)構(gòu)性植骨或鉭金屬墊塊進行模擬，同時確定螺釘位置和軌跡，既保證了假體穩(wěn)定，又避免了螺釘傷及血管或神經(jīng)。使術(shù)前計劃更加完善，手術(shù)時間更短，取得了很好的療效。
     何勇等報道了多例翻修患者，利用I期術(shù)前三維CT圖像，取健側(cè)股骨數(shù)據(jù)，應(yīng)用鏡像技術(shù)3D打印出個體化Spacer制作模具。術(shù)前預(yù)演并術(shù)中指導(dǎo)制作個體化Spacer，提高了手術(shù)精度。又于II期手術(shù)前拍攝最新三維CT，3D打印患側(cè)股骨結(jié)構(gòu)，模擬股骨柄的選擇，指導(dǎo)術(shù)中假體安放，患者術(shù)后控制感染及翻修效果均良好。
     個體化訂制的3D打印髖臼假體：電子束熔融快速成型技術(shù)(EBMRP)是一種新型金屬粉末(Ti6Al4V)快速成型技術(shù)。通過CT或MRI提取患者的骨骼信息數(shù)據(jù)進行個性化假體的計算機輔助設(shè)計，并加以仿真模擬及力學(xué)驗證；最后通過EBMRP技術(shù)完成個性化假體的快速制作。相關(guān)研究表明，孔隙率＞50%且孔徑在50～500μm之間的多孔鈦合金假體是符合人類松質(zhì)骨機械強度且有利于成骨細胞的增殖和分化的。EBM技術(shù)訂制假體可以完全滿足此材料學(xué)要求，其“類骨小梁結(jié)構(gòu)”可支持骨細胞在其中生長，使骨骼與假體之間形成牢固的絞鎖，促進骨與假體交界面的骨性愈合，從而延長假體使用壽命。EBM技術(shù)的出現(xiàn)給新型骨科假體的設(shè)計和制造帶來了前所未有的機遇。
     (1)3D打印鈦合金骨小梁金屬臼杯應(yīng)用于初次髖關(guān)節(jié)置換：目前，大部分髖臼置換手術(shù)均傾向于使用非骨水泥假體，臼杯表面與骨面之間的骨長入能力是維持髖臼假體穩(wěn)定的最重要因素。傳統(tǒng)通用髖臼假體由于技術(shù)缺陷，導(dǎo)致孔隙率不足，孔徑不均，不利于骨長入。不同于傳統(tǒng)臼杯表面采用噴涂和燒結(jié)技術(shù)，EBM鈦合金臼杯金屬基底層與表面多孔層是一次成型。其多孔表層擁有優(yōu)越的生物學(xué)特性，這對于細胞的貼附生長以及干細胞的成骨分化都具有促進作用，從而明顯增加金屬生物材料與細胞的結(jié)合能力，獲得更好的機械學(xué)性能。不僅如此，EBM金屬的硬度與彈性模量與人體松質(zhì)骨相似，使應(yīng)力傳導(dǎo)更加均勻，早期即可獲得良好的骨長入。陳世柱等利用3D打印鈦合金金屬臼杯為老年患者行初次髖關(guān)節(jié)置換，實驗組術(shù)后6個月Harris髖關(guān)節(jié)評分平均值為90.96。相比于使用普通非骨水泥臼杯的對照組，髖關(guān)節(jié)功能改善顯著，骨長入也較為良好，且穩(wěn)定性良好，短中期預(yù)后效果佳。王珊珊等發(fā)現(xiàn)訂制臼杯患者術(shù)后Harris評分明顯高于常規(guī)骨水泥臼杯組，治療的總效率也顯著提升。將訂制鈦合金假體應(yīng)用于DDH及髖關(guān)節(jié)結(jié)核患者，Wang等發(fā)現(xiàn)，使用訂制的3D打印鈦合金假體的患者，術(shù)后負重時間普遍短于常規(guī)髖關(guān)節(jié)置換組，術(shù)后2年Harris評分也相對較高，說明3D打印訂制假體更貼近人體解剖結(jié)構(gòu)。
      (2)翻修手術(shù)中快速打印金屬墊塊、三翼杯的應(yīng)用：在髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中，目前我們所知的處理髖臼骨缺損的方法有很多，如大臼杯，加強環(huán)，結(jié)構(gòu)植骨等，目的就是為了重建準確的髖臼旋轉(zhuǎn)中心，使髖臼假體得到充分的穩(wěn)定。EBM技術(shù)的發(fā)展，使髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)出現(xiàn)了新的手術(shù)方式選擇。

 2016年，毛兆光等利用3D打印技術(shù)設(shè)計制作出與患者髖臼高度匹配的臼杯墊塊一體式個性化假體，將其應(yīng)用于1例PaproskyIIIA型翻修患者，使手術(shù)難度下降，手術(shù)創(chuàng)傷減小，出血量減少?；颊咝g(shù)后康復(fù)基本滿意，但無隨訪結(jié)果。夏志勇等利用三維CT數(shù)據(jù)和同比例3D打印骨盆模型，結(jié)合計算機模擬和EBM技術(shù)，打印出個體化鈦合金骨小梁臼杯及訂制鈦合金金屬墊塊。應(yīng)用于15例翻修手術(shù)患者，平均隨訪13.6個月，髖關(guān)節(jié)Harris評分，VAS評分相較于術(shù)前，均有較大改善。截止目前術(shù)后無一例出現(xiàn)翻修失敗，影像學(xué)檢查顯示骨長入良好?；颊呦碌匦凶卟綉B(tài)良好，可正常行走、下蹲，短期內(nèi)療效滿意，仍需進一步遠期隨訪。楊振環(huán)等將應(yīng)用3D打印的假體、墊塊的翻修患者與常規(guī)翻修患者的術(shù)后6個月情況進行比較，得出了訂制假體、墊塊與髖臼結(jié)構(gòu)吻合度高，臼杯穩(wěn)定性強的結(jié)論。個體化三翼臼杯對于PaproskyIIIB型骨缺損，甚至骨盆不連續(xù)的翻修患者，帶來了福音。個體化鈦合金三翼臼杯最早由Christie等提出，是一種臼杯外緣連接三個翼狀突起，分別可以用螺絲固定于髂骨，恥骨，坐骨的訂制髖臼假體。它可以精確穩(wěn)定地復(fù)原髖臼解剖結(jié)構(gòu)，恢復(fù)強力的骨接觸和髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)。
    Christie等對訂制三翼臼杯的置換78例骨盆不連續(xù)患者，進行了24～107個月的隨訪，平均Harris評分從33.3分提升至82.1分，但是其中6例發(fā)生脫位。Holt等在針對PaproskyIIIB型骨缺損患者的手術(shù)中，使用了26次訂制三翼臼杯，通過建立宿主骨的即時穩(wěn)定，恢復(fù)正常的髖關(guān)節(jié)中心，在短中期隨訪中，有23例療效滿意。但是價格與手術(shù)延遲的缺點卻不容忽視。在Taunton等報道的假體存留率為95%的57例中，在平均為5.4年的隨訪中有20髖進行了二次翻修，其團隊認為：3D打印訂制三翼臼杯以與其它手術(shù)方法相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟成本，獲得了在短、中期隨訪中可預(yù)知的固定效果，相較于優(yōu)秀的術(shù)后功能而言，手術(shù)的延遲缺陷是值得的。Wind等報告了19例，平均隨訪31個月，術(shù)后出現(xiàn)5例脫位，均發(fā)生在股骨側(cè)未進行翻修的患髖。Wind等認為：術(shù)中無法隨時修改訂制假體組件，成了脫位的高發(fā)原因。Colen等進行了10～58個月不等的隨訪，患者的滿意率為100%，獲得了良好的臨床及影像學(xué)結(jié)果。Berasi等報道28例骨盆不連續(xù)患者中，3髖死亡，4髖進行了二次翻修，隨訪中期，X線對假體骨長入的評估仍不完善，同時，安裝訂制三翼臼杯需要大量暴露髂骨，增加了神經(jīng)和血管損傷的風(fēng)險。既往研究情況表明，訂制三翼臼杯的使用，給患者術(shù)后的Harris評分帶來了顯著提高(表1)，但是術(shù)后并發(fā)癥仍是髖關(guān)節(jié)手術(shù)失敗的最重要原因。
     最近Berend等報道：三翼臼杯置換的95個髖關(guān)節(jié)，平均隨訪3.5年，平均Harris評分從術(shù)前的46分提升至術(shù)后的75分，但是21髖(22%)出現(xiàn)了至少一種并發(fā)癥。因此他認為：3D打印訂制的三翼臼杯的并發(fā)癥發(fā)生率與其它治療方法相同，提供了可預(yù)知的固定效果。
3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用前景
     3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用，為高難手術(shù)提供了術(shù)前預(yù)演，使醫(yī)生術(shù)中操作更加精確，為患者設(shè)計打印與骨盆缺損高度匹配的訂制假體，有力地推動了髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的發(fā)展。但是3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景還是面臨諸多挑戰(zhàn)。
(1)臨床方面：快速打印訂制股骨柄假體仍處于體外實驗階段；訂制假體及導(dǎo)板仍需大量臨床試驗證明其有效性及安全性；3D打印價格昂貴，效率低，制作周期長；缺乏相關(guān)法律法規(guī)，行業(yè)標準，監(jiān)管措施。
(2)教學(xué)方面：理論上，3D打印模型直觀而生動，可以使學(xué)生提高診療能力。模型上的手術(shù)預(yù)演，可以培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力。但目前醫(yī)學(xué)院較少使用3D打印教具，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(3)材料學(xué)方面：由于訂制假體對材料的無毒性，生物力學(xué)性能，生物相容性都有嚴格要求，導(dǎo)致目前臨床上有用的材料僅限于金屬，陶瓷和聚乙烯，同時，現(xiàn)階段使用的股骨柄假體材料其硬度均遠高于人體骨骼，極易導(dǎo)致應(yīng)力屏蔽，繼發(fā)骨吸收，假體周圍骨折等嚴重并發(fā)癥。高強度，力學(xué)性能可調(diào)的多孔材料可能是未來假體材料的發(fā)展方向，但是對其研究仍處于實驗階段，研發(fā)難度較大。
      雖然3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用受到諸多因素制約，但是隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，材料學(xué)的進步，法律及監(jiān)管的完善，以上困難將會被逐步解決。3D打印技術(shù)將在未來為關(guān)節(jié)外科的發(fā)展提供更多的動力，更好地服務(wù)于患者和社會。