3D打印人工椎體在脊柱轉(zhuǎn)移瘤整塊切除后脊柱穩(wěn)定性重建中的應(yīng)用

王林 高嵩濤 劉繼軍 羅建平 張俊娟 鐘楚楠 張瑜哲 ?？茲?rùn)

河南省人民醫(yī)院骨科（鄭州450003）

脊柱轉(zhuǎn)移瘤是脊柱最常見(jiàn)的腫瘤，約有30%～70%的惡性腫瘤會(huì)出現(xiàn)脊柱轉(zhuǎn)移［1］。脊柱轉(zhuǎn)移瘤可造成嚴(yán)重的骨質(zhì)破壞，影響脊柱穩(wěn)定性和脊髓的神經(jīng)功能［2］。據(jù)研究［3］顯示，5% ～10%的脊柱轉(zhuǎn)移患者會(huì)出現(xiàn)脊髓及神經(jīng)根的壓迫癥狀，嚴(yán)重者可導(dǎo)致截癱，大大影響患者的生存質(zhì)量。

手術(shù)仍然是切除腫瘤組織、解除神經(jīng)壓迫最有效、最直接的方式。隨著外科技術(shù)的不斷提高，多數(shù)脊柱轉(zhuǎn)移瘤病灶均能夠有效切除邊界，其有利于降低腫瘤局部復(fù)發(fā)率并延長(zhǎng)患者的遠(yuǎn)期生存時(shí)間［4］。然而整塊切除創(chuàng)傷大，切除了脊柱的骨性結(jié)構(gòu)、小關(guān)節(jié)、韌帶、椎間盤(pán)等，脊柱徹底失穩(wěn)，需要對(duì)脊柱連續(xù)性、穩(wěn)定性進(jìn)行重建。傳統(tǒng)的重建材料有自體髂骨塊、人造骨柱、鈦網(wǎng)等，但存在著融合率低、界面吸收、塌陷、移位等問(wèn)題［5］。

隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，3D 打印植入物在骨科的應(yīng)用范圍不斷拓展。3D 打印人工椎體具有與人體自身椎體相似的彈性模量、良好的組織相容性和機(jī)械強(qiáng)度、適合骨長(zhǎng)入的微孔結(jié)構(gòu)，這些均使個(gè)體化人工椎體重建脊柱轉(zhuǎn)移瘤術(shù)后骨質(zhì)缺損成為可能［6］。國(guó)內(nèi)外對(duì)于脊柱轉(zhuǎn)移瘤整塊切除后使用鈦網(wǎng)和3D 打印人工椎體重建其穩(wěn)定性的對(duì)比研究鮮有報(bào)道，本研究回顧性分析我科2016年5月至2020年5月脊柱轉(zhuǎn)移性腫瘤整塊切除術(shù)后行3D 打印人工椎體材料和鈦網(wǎng)材料重建患者的資料，并對(duì)兩種重建材料術(shù)后療效、并發(fā)癥情況進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料根據(jù)納入與排除標(biāo)準(zhǔn)，選取自2016年5月至2020年5月于我院行脊柱轉(zhuǎn)移性腫瘤整塊切除手術(shù)的患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）病理結(jié)果明確為脊柱轉(zhuǎn)移性腫瘤；（2）出現(xiàn)病理性骨折或有明確脊髓壓迫癥狀；（3）脊柱轉(zhuǎn)移病灶僅累及單個(gè)椎體；（4）于我院行椎體整塊切除手術(shù)治療，并接受3D 打印人工椎體或鈦網(wǎng)重建脊柱。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）臨床評(píng)估患者預(yù)期壽命較短，小于6 個(gè)月［7］；（2）合并其他臟器多發(fā)轉(zhuǎn)移患者；（3）脊柱轉(zhuǎn)移為復(fù)發(fā)病灶或累及多個(gè)椎體；（4）一般情況較差，合并嚴(yán)重糖尿病、腎病、心血管系統(tǒng)（如高血壓、心梗、心律失常）、免疫系統(tǒng)及血液系統(tǒng)疾病無(wú)法耐受手術(shù)。

根據(jù)術(shù)中使用的重建材料分為兩組。使用3D打印人工椎體材料重建的為觀察組，共24 例患者，男14 例，女10 例，年齡45 ～72 歲，平均（55.2 ±5.3）歲；使用鈦網(wǎng)材料重建的為對(duì)照組，共24 例患者，男13 例，女11 例，年齡42 ～75 歲，平均（52.4 ±6.2）歲。手術(shù)前對(duì)所有患者均進(jìn)行了預(yù)后評(píng)估，包括Tomita 評(píng)分［8］和Tokuhashi 評(píng)分［9］。兩組一般資料差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，表1）。

表1 兩組患者一般資料對(duì)比Tab.1 Comparison of general data between the two groups例

1.2 植入材料 3D 打印人工椎體：由北京愛(ài)康宜誠(chéng)醫(yī)療器材有限公司提供，材料為多孔型鈦合金（金鈦-6 鋁-4 釩），孔隙率為80%左右，孔隙結(jié)構(gòu)為（800 ± 200）μm，楊氏模量為（2.5 ± 0.2）GPa，前凸角為0/4/8 度。規(guī)格：頸椎人工椎體直徑12/14 mm，高度12 ～90 mm（2 mm 遞增）；胸腰椎人工椎體直徑12×18 mm～18×24 mm，高度25 ～120 mm（5/10 mm 遞增）。鈦網(wǎng)：由北京理貝爾生物工程研究所有限公司提供，材料為鈦合金，圓柱形狀，直徑為12/14 mm，厚度1 mm，最大高度為100 mm。頸前路鈦板螺釘系統(tǒng)：由北京理貝爾生物工程研究所有限公司提供，材料為鈦合金，鈦板長(zhǎng)度為22 ～88 mm，螺釘直徑為4/4.5 mm，長(zhǎng)度為12 ～18 mm。胸腰椎釘棒系統(tǒng)：由上海銳植醫(yī)療器械有限公司提供，材料為鈦合金，螺釘長(zhǎng)度30 ～50 mm，直徑為3.5 ～7.5 mm。

1.3 手術(shù)方法

1.3.1 術(shù)前栓塞術(shù)前1 周內(nèi)，患者在局麻下由介入科醫(yī)師行血管造影術(shù)以明確腫瘤供血情況，為減少術(shù)中出血，選擇性地給予血管栓塞。為避免栓塞物脫落入顱，一般頸椎腫瘤血管不栓塞。

1.3.2 腫瘤椎體的切除以胸腰椎腫瘤為例，全身麻醉后采取俯臥位，以病椎為中心做后正中切口，長(zhǎng)度范圍包括病椎上下各兩個(gè)階段椎體，依次切開(kāi)皮膚、皮下、筋膜，分離椎旁肌肉并向兩側(cè)牽開(kāi)，分離軟組織時(shí)注意避免進(jìn)入腫瘤組織。于病椎上下兩個(gè)椎體分別置入椎弓根螺釘，切除腫瘤椎體時(shí)交替連接兩側(cè)連接桿，整塊切除腫瘤椎體，徹底減壓脊髓及神經(jīng)根，蒸餾水、化療藥物交替浸泡滅活術(shù)區(qū)，處理殘留椎間盤(pán)組織，刮除上位椎體下終板軟骨和下位椎體上終板軟骨以準(zhǔn)備融合界面，注意保護(hù)脊髓、神經(jīng)根及椎體前方血管，嚴(yán)密止血。頸椎腫瘤采用平臥位，頸前路入路切除腫瘤組織。

1.3.3 重建觀察組：測(cè)量缺損高度，試模安裝，選擇合適規(guī)格3D 打印人工椎體，制備異體骨顆粒填塞于中央植骨管道內(nèi)，將人工椎體放置于缺損區(qū)并調(diào)整位置，適當(dāng)加壓相鄰椎體保證骨-人工椎體界面緊密貼合，透視確認(rèn)假體位置良好。胸腰椎腫瘤病例連接椎弓根螺釘連接桿及橫聯(lián)，頸椎腫瘤病例安裝頸前路鈦板螺釘固定（圖1）；對(duì)照組：取異體骨顆粒緊密填塞于修剪后的鈦網(wǎng)內(nèi)，其余步驟同觀察組（圖2）。

圖1 胸椎轉(zhuǎn)移瘤整塊切除并3D 打印人工椎體重建Fig.1 Thoracic metastases were resected en bloc and reconstructed with 3D printing artificial vertebral body

圖2 胸椎轉(zhuǎn)移瘤整塊切除并鈦網(wǎng)重建Fig.2 Thoracic metastases were resected and reconstructed with titanium mesh

1.4 術(shù)后處理腫瘤標(biāo)本送常規(guī)病理，明確原發(fā)腫瘤類(lèi)型。術(shù)后常規(guī)臥床，指導(dǎo)雙下肢功能鍛煉，給予預(yù)防感染、消腫、止痛等藥物應(yīng)用，術(shù)后1 周內(nèi)給予甲潑尼龍靜脈輸液以減輕脊髓、神經(jīng)根水腫。引流量24 h 少于20 mL 時(shí)拔除引流管。切口愈合并拆線2 周后開(kāi)始原發(fā)腫瘤的內(nèi)科治療。

1.5 療效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.5.1 一般指標(biāo)記錄患者手術(shù)時(shí)間（從皮膚切開(kāi)到皮膚縫合完畢）、出血量（紗布估計(jì)出血量+吸引器瓶?jī)?nèi)液體量-術(shù)區(qū)沖洗量）。

1.5.2 疼痛評(píng)價(jià)采用疼痛視覺(jué)模擬評(píng)分（visual analogue scale，VAS）系統(tǒng)于患者術(shù)前、術(shù)后1 周對(duì)疼痛程度進(jìn)行評(píng)估，并計(jì)算緩解度，緩解度=（術(shù)后1 周評(píng)分-術(shù)前評(píng)分）/術(shù)前評(píng)分×100%［10］。

1.5.3 神經(jīng)功能評(píng)價(jià)采用JOA（Japanese Orthopaedic Association Scores）評(píng)分系統(tǒng)對(duì)患者脊髓功能評(píng)分，并計(jì)算術(shù)后1 周、3 個(gè)月、6 個(gè)月、末次隨訪時(shí)的改善率，改善率=（隨訪時(shí)評(píng)分-術(shù)前評(píng)分）/（17-術(shù)前評(píng)分）×100%［11］。

1.5.4 術(shù)后椎體融合情況6個(gè)月后行脊柱X線及

CT 檢查，評(píng)估人工椎體或鈦網(wǎng)與相鄰椎體整合情況，具體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）確定融合，影像學(xué)檢查觀察到骨重塑，人工椎體或鈦網(wǎng)與上下臨近終板骨界面處有骨小梁穿過(guò)；（2）可能融合，人工椎體或鈦網(wǎng)完整，但與鄰近椎體未完全重塑和整合，無(wú)明顯放射透亮帶；（3）可能不融合，人工椎體或鈦網(wǎng)完整，但與鄰近椎體間有明顯放射透亮帶；（4）確定不融合，人工椎體或鈦網(wǎng)斷裂、移位或下陷［12］。

1.5.5 沉降情況及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)由融合節(jié)段的高度及曲度變化作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)脊柱X 線側(cè)位片測(cè)量術(shù)后1 周、3 個(gè)月、6 個(gè)月、末次隨訪時(shí)融合節(jié)段椎體前緣高度（height of anterior bone，HAB）、椎體后緣高度（height of posterior bone，HPB）和cobb 角數(shù)值，并計(jì)算其與術(shù)后1 周（等同于術(shù)后即刻）的差值［13］。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用SPSS 24.0（IBM，美國(guó)）統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，兩組間比較統(tǒng)計(jì)分析采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，同一組內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)間計(jì)量資料的比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)；兩組間計(jì)數(shù)資料的統(tǒng)計(jì)分析采用卡方檢驗(yàn)。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般指標(biāo)手術(shù)時(shí)間：觀察組（322±42）min，對(duì)照組（355 ± 30）min，觀察組手術(shù)用時(shí)少于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P= 0.003）；術(shù)中出血量：觀察組（2 229±231）mL，對(duì)照組（2 420±273）mL，觀察組術(shù)中出血量少于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.012）。

2.2 疼痛評(píng)價(jià)VAS 評(píng)分：觀察組由術(shù)前（7.4 ±1.4）分降至術(shù)后（2.2±0.8）分，對(duì)照組由術(shù)前（6.8±1.1）分降至術(shù)后（2.4 ± 1.0）分，兩組患者術(shù)后VAS評(píng)分均較術(shù)前明顯下降（P＜0.001）。觀察組疼痛緩解度（70.4 ± 11.5）%，對(duì)照組疼痛緩解度（65.8 ±11.2）%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.164）。

2.3 神經(jīng)功能評(píng)價(jià)兩組患者術(shù)前JOA、術(shù)后1 周JOA 評(píng)分及改善率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，術(shù)后3、6 個(gè)月、末次隨訪JOA 評(píng)分及改善率觀察組均高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表2。

表2 兩組患者JOA 評(píng)分及改善率Tab.2 JOA score and improvement rate of two groups x±s

2.4 術(shù)后并發(fā)癥48例患者隨訪時(shí)間為10 ～45個(gè)月（平均20.4 個(gè)月），所有患者術(shù)中無(wú)脊髓或大血管損傷或排異反應(yīng)出現(xiàn)。觀察組與對(duì)照組術(shù)后出現(xiàn)腦脊液漏各2 例，改變體位、延遲拔管后均順利愈合；觀察組1 例胸7 椎體轉(zhuǎn)移瘤患者術(shù)后出現(xiàn)切口淺表感染，加強(qiáng)換藥、延長(zhǎng)敏感抗生素應(yīng)用后順利愈合，對(duì)照組1 例肺癌并胸4 椎體轉(zhuǎn)移瘤患者術(shù)中出現(xiàn)胸膜破裂，術(shù)后肺部感染，轉(zhuǎn)ICU 治療后感染得到有效控制。

2.5 術(shù)后椎體融合情況兩組患者植入物與相鄰椎體融合情況見(jiàn)表3，兩組融合情況差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.020）。

表3 兩組患者植入物與相鄰椎體融合情況Tab.3 Fusion of implants and adjacent vertebral bodies in two groups 例（%）

2.6 沉降情況及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)術(shù)后3、6 個(gè)月及末次隨訪時(shí)，觀察組HAB、HPB 及cobb 角度的減小值均小于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表4）。

表4 兩組患者沉降高度及曲度變化Tab.4 Changes of settlement height and curvature in two groups ±s

表4 兩組患者沉降高度及曲度變化Tab.4 Changes of settlement height and curvature in two groups ±s

注：減小值均為與術(shù)后1 周的差值

術(shù)后3個(gè)月術(shù)后6個(gè)月末次隨訪HAB減小值（mm）HPB減小值（mm）cobb角減小值HAB減小值（mm）HPB減小值（mm）cobb角減小值HAB減小值（mm）HPB減小值（mm）cobb角減小值觀察組1.10±0.29 1.00±0.23（0.5±0.4）°1.38±0.31 1.27±0.30（0.7±0.5）°1.57±0.42 1.51±0.46（0.9±0.6）°對(duì)照組2.11±0.45 2.00±0.34（1.4±0.2）°2.46±0.48 2.30±0.37（1.9±0.4）°2.64±0.49 2.49±0.44（2.2±0.6）°P值＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001

3 討論

隨著惡性腫瘤臨床治療效果的提高，大約有70%的惡性腫瘤患者會(huì)出現(xiàn)脊柱轉(zhuǎn)移［14］。脊柱轉(zhuǎn)移性腫瘤手術(shù)成功的關(guān)鍵在于周密的術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中徹底切除腫瘤以及重建脊柱的穩(wěn)定性［15］。手術(shù)切除脊柱轉(zhuǎn)移瘤后能否有效重建，其中一個(gè)重要因素就是重建材料的選擇。傳統(tǒng)的重建材料包括自體髂骨塊、異體骨或人造骨柱，以及各種金屬重建材料如鈦網(wǎng)、人工椎體等。自體髂骨取材方便、價(jià)格低、融合率高，但自體髂骨取材后可導(dǎo)致供區(qū)感染、血腫、疼痛和感覺(jué)障礙等并發(fā)癥［16］。異體骨或人造骨柱同樣存在排異、融合率低、彈性模量不匹配等缺點(diǎn)［17］。鈦合金由于其良好的生物相容性、高強(qiáng)度和耐腐蝕的特點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于椎體切除后的重建。然而，鈦網(wǎng)由于其與相鄰椎體接觸面積較小，彈性模量較高，其術(shù)后并發(fā)癥如鈦網(wǎng)沉降、移位以及不融合等并不罕見(jiàn)［18］。

近年來(lái)隨著數(shù)字化技術(shù)在骨科的廣泛應(yīng)用，3D 打印為脊柱轉(zhuǎn)移瘤切除術(shù)后重建帶來(lái)了新的選擇方案，其具有更好的個(gè)體化設(shè)計(jì)，與相鄰椎體解剖形態(tài)匹配良好，生物穩(wěn)定性強(qiáng)，但有關(guān)其與鈦網(wǎng)在脊柱轉(zhuǎn)移瘤切除術(shù)后重建的對(duì)比研究較少。本研究對(duì)脊柱轉(zhuǎn)移性腫瘤切除術(shù)后行3D 打印人工椎體材料和鈦網(wǎng)材料重建患者的臨床資料進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)3D 打印人工椎體組手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血量均小于鈦網(wǎng)組（P= 0.003 和P= 0.012）。手術(shù)操作中需要經(jīng)歷撐開(kāi)相鄰椎體-測(cè)量高度-植入重建物-加壓的過(guò)程，因此手工截取相應(yīng)長(zhǎng)度鈦網(wǎng)存在因測(cè)量導(dǎo)致的誤差，而3D 打印人工椎體可以根據(jù)術(shù)前測(cè)量預(yù)先制備相應(yīng)高度的假體，與真實(shí)缺損高度誤差較??；且鈦網(wǎng)和3D 打印人工椎體生產(chǎn)工藝存在區(qū)別，鈦網(wǎng)需要反復(fù)修剪并測(cè)試與相鄰終板的契合度，3D 打印椎體上下緣的弧形或斜坡形設(shè)計(jì)能更好地與鄰近終板吻合，大大降低了安裝的難度和時(shí)間［19］，同時(shí)減少了術(shù)中的出血量。

為了評(píng)估3D 打印人工椎體和鈦網(wǎng)在脊柱轉(zhuǎn)移瘤術(shù)后解剖和功能重建的差異，本研究對(duì)兩組術(shù)后椎體融合情況、沉降情況及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示，術(shù)后6 個(gè)月，3D 打印人工椎體組總體融合率為87.5%，鈦網(wǎng)組總體融合率為62.5%，兩組融合情況差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P= 0.020）。術(shù)后3、6 個(gè)月及末次隨訪3D 打印人工椎體組塌陷速度均小于鈦網(wǎng)組，生理曲度恢復(fù)速度大于鈦網(wǎng)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。YOSHIOKA 等［20］對(duì)47 例食管癌脊柱轉(zhuǎn)移患者行全椎體切除術(shù)并鈦網(wǎng)植骨重建，其研究發(fā)現(xiàn)30 例患者（63.8%）發(fā)生下陷，其中22例術(shù)后1個(gè)月CT即發(fā)現(xiàn)下陷。鈦網(wǎng)與終板因無(wú)法完全契合易導(dǎo)致應(yīng)力不均、局部點(diǎn)狀壓強(qiáng)過(guò)大，不僅容易高度丟失且延長(zhǎng)愈合時(shí)間。3D 打印人工椎體與相鄰終板吻合度高、接觸面積大，有利于分散承重力量，進(jìn)而降低塌陷率。且3D 打印人工椎體的海綿狀微孔結(jié)構(gòu)更接近于人體骨組織中的哈氏管，更易于骨長(zhǎng)入，有利于提高愈合率、降低愈合時(shí)間［21］。而術(shù)后脊髓神經(jīng)功能的恢復(fù)有賴(lài)于椎體高度的維持和曲度的恢復(fù)，這也解釋了本研究中雖然術(shù)后1 周JOA 評(píng)分及緩解率兩組無(wú)明顯差異，但是術(shù)后3、6 個(gè)月及末次隨訪時(shí)3D 打印人工椎體組JOA 評(píng)分及改善率均高于鈦網(wǎng)組。

本研究仍存在一定的不足：（1）隨訪時(shí)間較短，未對(duì)患者術(shù)后腫瘤控制率、生存時(shí)間和預(yù)后影響因素進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)；（2）隨訪病例較少且僅為單中心研究，之后需要擴(kuò)充樣本量并聯(lián)合多中心研究；（3）影像學(xué)檢查中因存在金屬偽影導(dǎo)致測(cè)量存在一定偏差，因此尚需要優(yōu)化影像技術(shù)及測(cè)量精度。

綜上所述，3D 打印人工椎體作為脊柱轉(zhuǎn)移瘤切除術(shù)后重建材料，能降低手術(shù)時(shí)間、減少術(shù)中出血，且不易出現(xiàn)假體下沉并發(fā)癥，能更好地維持脊柱高度和曲度，提高總體融合率，在脊柱轉(zhuǎn)移瘤的手術(shù)治療中有較好的臨床效果。