3D打印技術(shù)在全肺切除術(shù)后的應(yīng)用

李曉軍，秦思達，張 佳，張 靖，崔曉海

(西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院胸外二科，陜西西安 710061)

全肺切除術(shù)的風(fēng)險極高，術(shù)后往往伴發(fā)較多并發(fā)癥[1]。其中，術(shù)后早期并發(fā)癥如急性出血、血栓、支氣管胸膜瘺、膿胸等的發(fā)病率達到40%[2-3]。由于這些并發(fā)癥發(fā)病早、癥狀明顯，容易引起醫(yī)生的重視，往往可以得到很好的干預(yù)治療。而全肺切除術(shù)的遲發(fā)型并發(fā)癥往往出現(xiàn)在術(shù)后幾個月甚至幾年后，容易被忽視或誤診。盡管這些遲發(fā)型并發(fā)癥的發(fā)病率較低，但常常引起嚴(yán)重后果，甚至導(dǎo)致患者死亡。目前，消除全肺切除術(shù)后殘腔最常用的方法就是假體填充，不僅可以使縱隔復(fù)位，還能預(yù)防殘腔持續(xù)存在引起的胸廓塌陷及反復(fù)發(fā)作的胸腔感染。在假體選擇上，當(dāng)前國際上最常用的是乳腺假體和組織擴張器[4]，但這兩種假體并非專門為胸腔移植設(shè)計，臨床使用時常發(fā)現(xiàn)很難通過調(diào)節(jié)液體量達到縱隔精確復(fù)位，植入胸腔后常需要多次調(diào)節(jié)大小，且存在假體移位、破裂的可能[5]。傳統(tǒng)假體的缺點是導(dǎo)致全肺切除術(shù)后綜合征(postpneumonectomy syndrome, PPS)治療失敗的重要因素。因此，迫切地需要一種新的特異性假體來降低這些風(fēng)險，提高治療效果。

3D打印又叫累積制造技術(shù)，是一種以計算機的數(shù)字模型為基礎(chǔ)，使用粉末狀金屬、塑料或其他可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[6]。與傳統(tǒng)的機械制造主要通過削除材料完成產(chǎn)品的方式不同，3D打印可以簡單地做成很多以前不太可能做出或復(fù)雜無比的產(chǎn)品[7]。鑒于3D打印任意形狀、快速成型等優(yōu)點，以及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景，本研究擬利用該技術(shù)，在犬動物模型中，以高分子材料打印出擬切除肺的模型，并以此替代傳統(tǒng)假體植入全肺切除后的胸腔中，研究3D打印的肺假體預(yù)防及治療全肺切除術(shù)后并發(fā)癥的作用，并分析其臨床應(yīng)用的可能性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及試劑 選用健康成年犬48只(西安交通大學(xué)實驗動物中心提供)，體質(zhì)量13～22 kg，應(yīng)用隨機數(shù)字表法，將實驗犬隨機分為4組：單純左肺切除組(G1，12只)，左肺切除假體移植組(G2，12只)，單純右肺切除組(G3，12只)及右肺切除假體移植組(G4，12只)。本研究獲得西安交通大學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，于西安交通大學(xué)動物實驗中心實施。所有動物的相關(guān)術(shù)前準(zhǔn)備、術(shù)中操作及術(shù)后護理遵循NIH發(fā)布的《實驗動物使用操作指南》。實驗中所用3D打印機由清華大學(xué)研制(型號：MEM-300-E)，打印材料為聚乙烯(永豐橡塑有限公司)。麻醉用的戊巴比妥鈉為德國Merck公司生產(chǎn)。

1.2 3D打印步驟 肺假體的3D打印步驟由3部分組成：解剖結(jié)構(gòu)成像、3D數(shù)字重建及打印出成品。首先對待切除肺進行CT掃描，利用計算機軟件(Mimics 10.0, Materialise公司)重建肺組織3D圖像；然后把重建后的圖像數(shù)字化后輸入3D打印機；最后由3D打印機打印出肺模型。打印過程中使用聚乙烯作為原材料，并在模型成型后進行消毒滅菌，以備下一步的體內(nèi)移植。

1.3 動物麻醉及手術(shù)操作 實驗動物常規(guī)術(shù)前12 h禁食，6 h禁飲。0.03 mg/kg戊巴比妥鈉靜脈麻醉后氣管插管，動物呼吸機輔助呼吸，持續(xù)給氧并監(jiān)測。開放隱靜脈作為輸液通道，術(shù)前及術(shù)后分別給予160萬IU的青霉素預(yù)防感染。常規(guī)皮膚準(zhǔn)備后，由第5肋間隙開胸。分離結(jié)扎肺動、靜脈及主支氣管后切除一側(cè)整個肺組織，支氣管殘端使用2-0尼龍線加固縫合，檢查有無漏氣，關(guān)閉胸腔并放置負壓引流裝置。對于假體植入組，3D打印的肺模型直接植入胸腔。以上所有手術(shù)步驟均遵循無菌原則，并由同一團隊完成。

1.4 組織病理學(xué)檢測 術(shù)前針管穿刺獲得正常狀態(tài)下犬的肺、胸膜、心包、縱隔等組織，術(shù)后1年后處死手術(shù)動物并獲取手術(shù)側(cè)及健側(cè)相應(yīng)的胸膜、心包、縱隔及肺組織。常規(guī)40 mL/L甲醛溶液固定、脫水、蠟塊包埋，病理切片至5 μm，并進行HE染色，中性樹脂封片后，顯微鏡下觀察各組織的病理特點，如有無炎癥、壞死等。所有病理切片均由2位病理醫(yī)師獨立觀察、雙盲鑒定。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析 使用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，計量資料用均值±標(biāo)準(zhǔn)差描述，配對樣本或獨立樣本的兩兩比較采用配對或獨立樣本t檢驗，多組間比較采用ANOVA；計數(shù)資料采用卡方檢驗。生存分析使用Kaplan-Meier曲線描述，Log-rank檢驗用于比較不同組別之間生存率的差異。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 實驗動物一般情況 實驗犬平均年齡(3.4±0.7)歲，平均體質(zhì)量(17.9±2.6)kg，各組動物在年齡及體質(zhì)量參數(shù)上無統(tǒng)計學(xué)差異。在手術(shù)過程中，單純肺切除組(G1和G3)的平均手術(shù)時間為(52.0±12.3)min，肺假體植入組(G2和G4)平均手術(shù)時間為(52.3±12.5)min，兩者相比無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)，表明假體植入并未延長手術(shù)時間。各組動物術(shù)中出血量無統(tǒng)計學(xué)差異(表1)。

2.2 全肺切除術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生情況 所有實驗動物手術(shù)過程平穩(wěn)，未出現(xiàn)術(shù)中或術(shù)后動物立即死亡。術(shù)后3～5 d拔出負壓引流管，記錄引流量(192±33)mL。術(shù)后持續(xù)觀察動物是否出現(xiàn)并發(fā)癥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，25%(12/48)的動物出現(xiàn)早期并發(fā)癥。各組間早期并發(fā)癥的具體分布見表2，統(tǒng)計學(xué)分析顯示，單純?nèi)吻谐g(shù)與假體植入組相比，早期并發(fā)癥的發(fā)病率無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。

表1 實驗動物的一般情況

組別年齡(歲)P值體質(zhì)量(kg)P值手術(shù)時間(min)P值出血量(mL)P值G13.3±0.70.12318.2±2.40.08450.7±10.80.29712.4±4.70.361G23.4±0.717.6±2.451.3±12.812.8±3.4G33.3±0.718.6±2.553.3±13.912.7±3.9G43.5±0.617.6±3.053.4±12.712.8±3.7

對于晚期并發(fā)癥的觀察發(fā)現(xiàn)，其發(fā)病率為12.5%(6/48)，并且主要發(fā)生在單純?nèi)吻谐M(5例)，而假體植入組僅有1例。全肺切除術(shù)后晚期并發(fā)癥主要表現(xiàn)為全肺切除術(shù)后綜合征(PPS)，且主要出現(xiàn)在右全肺切除術(shù)后的動物(表3)。G1組1例實驗動物出現(xiàn)反復(fù)發(fā)作的膿胸并導(dǎo)致了遲發(fā)型支氣管胸膜瘺。而對于假體植入組動物，除1例可能因假體與胸膜摩擦導(dǎo)致的慢性胸膜炎癥，未觀察到由假體引起的其他并發(fā)癥。

表2 術(shù)后早期并發(fā)癥分布

* 1只犬出現(xiàn)切口感染誘發(fā)健側(cè)肺炎。

2.3 CT掃描及病理檢查結(jié)果比較 所有實驗動物術(shù)后每隔3個月做1次胸部CT掃描，結(jié)果顯示，單純?nèi)吻谐M(G1和G3)的動物均出現(xiàn)一定程度的縱隔動態(tài)偏移，而假體植入組(G2和G4)動物的縱隔未見明顯變化，各組實驗動物典型的CT影像變化如圖1所示。為了進一步探討3D打印的肺假體與受體之間的組織相容性，所有的存活實驗動物在1年后處死，對胸膜、心包、縱隔及肺組織進行病理切片觀察。結(jié)果顯示，肺切除側(cè)胸腔內(nèi)假體周圍的膈膜、胸膜及心包組織有大量成纖維細胞、中性粒細胞浸潤，表現(xiàn)為慢性炎癥反應(yīng)(圖2)。值得注意的是，在健側(cè)胸腔內(nèi)，這些組織同樣具有輕度的慢性炎癥出現(xiàn)，特別是健側(cè)肺組織，表現(xiàn)為氣管周圍淋巴細胞增多，纖維組織及間皮細胞增生。除這些慢性炎癥的表現(xiàn)外，未出現(xiàn)壞死及其他嚴(yán)重的免疫排斥反應(yīng)，表明3D打印的肺假體具有良好的組織相容性。

表3 術(shù)后晚期并發(fā)癥的分布

Tab.3 Late complications of the operated dogs

并發(fā)癥類型G1 G2P值G3G4P值總計(n)2?00.225310.590全肺切除術(shù)后綜合征101.000300.225遲發(fā)型支氣管胸膜瘺101.000001.000反復(fù)發(fā)作的胸膜腔感染或膿胸101.000011.000

* 1只犬反復(fù)膿胸導(dǎo)致遲發(fā)型支氣管胸膜瘺。

圖1 各組實驗動物術(shù)后3個月典型的CT影像變化

A：術(shù)前正常的胸部CT影像；B：左肺全切組；C：左肺全切+3D打印假體植入組；D：右肺全切組；E：右肺全切+3D打印假體植入組。

圖2 3D打印肺假體植入術(shù)后胸腔組織病理改變

Fig.2 Microscopic histological examination of thoracic tissues (HE, ×100)

3 討 論

到目前為止，全肺切除術(shù)仍然被認(rèn)為是一種風(fēng)險極高的手術(shù)，其術(shù)后并發(fā)癥的高發(fā)病率嚴(yán)重影響了患者的生存時間及生活質(zhì)量[8]。在本實驗中，共有4例動物出現(xiàn)全肺切除術(shù)后綜合征，其中左肺全切組1例(G1，8.3%)，右肺全切組3例(G3，25.0%)，右肺多于左肺。在人類患者中，全肺切除術(shù)后綜合征也多見于右肺切除后，原因可能是右肺的體積大于左肺，切除后縱隔偏移的幅度更大[9]。此外，全肺切除術(shù)后殘腔的存在不僅可以導(dǎo)致健側(cè)肺體積代償性增大，縱隔偏移，還可以引起胸廓塌陷、反復(fù)發(fā)作的胸腔感染等副作用[10]。

避免出現(xiàn)全肺切除術(shù)后遲發(fā)型并發(fā)癥的最好辦法就是消除術(shù)后殘存的空腔。為了達到該目的，利用假體填充殘腔的辦法已被廣泛應(yīng)用于臨床[11-12]。然而，傳統(tǒng)假體在臨床應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了許多不盡如人意的地方。首先，假體的體積大小對于維持縱隔的原有位置而不致發(fā)生偏移顯得至關(guān)重要[13]。假體體積的過大或過小，都會影響治療效果，甚至產(chǎn)生其他的副作用，如假體過大壓迫健側(cè)肺組織[14]。本實驗中，在對原肺進行CT掃描3D重建的基礎(chǔ)上，我們利用3D打印技術(shù)成功制作了與原始肺組織外形類似的假體，在對其體積、表面積、重量等參數(shù)比較后發(fā)現(xiàn)，肺假體與原始肺臟具有很高的一致性。當(dāng)把3D打印的肺假體植入全肺切除后的胸腔后，可以完美地支撐起胸廓并保持縱隔在原位，避免傳統(tǒng)假體過大或過小的問題。其次，我們利用聚乙烯打印出的3D肺假體具有很好的組織相容性，植入機體后未出現(xiàn)明顯的排斥反應(yīng)。但值得注意的是，聚乙烯制作的肺假體質(zhì)地較硬，缺乏彈性，且隨著呼吸運動的發(fā)生，可與胸膜反復(fù)摩擦導(dǎo)致慢性炎癥的發(fā)生及不適感。因此，摩擦系數(shù)低、柔韌性好的材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、硅膠等[15]，更適于制造這類假體，我們將在今后的研究中進一步探索。最后，就是制作假體的費用和時間，本實驗中，每只動物肺假體的制作時間平均接近30 h，而花費超過500美元，包括人工費、材料費、成像費用等。當(dāng)這些假體應(yīng)用于人體時，費用會更高，這將阻礙這項新技術(shù)的臨床應(yīng)用。因此，如何降低制作成本，減少患者的治療費用，將是我們下一步研究的方向。