案例！3D打印鈦合金胸肋骨植入物在胸壁重建中的臨床應(yīng)用
魔猴君 行業(yè)資訊 1663天前
目的
使用 3D 打印技術(shù)制造鈦合金胸肋骨，并應(yīng)用于大范圍胸壁缺損的重建修復，以期滿足個性化、解剖學的胸壁重建需求并觀察其臨床療效。
方法
共納入 13 例患者，男 9 例、女 4 例，年齡 46 （24～78）歲。所有患者均使用 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物對胸壁缺損進行重建，隨訪觀察 1 年。收集患者的人口學特征，圍手術(shù)期相關(guān)臨床數(shù)據(jù)，并對獲得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。
結(jié)果
6 例肋骨腫瘤、6 例胸骨腫瘤及 1 例胸骨化膿性骨髓炎患者最終納入本研究。所有患者術(shù)后均能維持胸壁完整性，未發(fā)現(xiàn)反常呼吸現(xiàn)象，達到了個性化及解剖學的修復目的。胸壁缺損面積為（221.0±206.0）cm2。13 例患者均順利出院，圍手術(shù)期內(nèi)無死亡，2 例發(fā)生肺炎。1 年隨訪期內(nèi)，未發(fā)生植入物斷裂、移位、排斥、過敏等現(xiàn)象；1 例患者化療后切口潰瘍，3 例患者術(shù)后 1 年內(nèi)腫瘤復發(fā)，其中2 例患者發(fā)生死亡，12 例腫瘤患者 1 年復發(fā)率 25.0%，死亡率 16.7%。
結(jié)論
3D 打印鈦合金胸肋骨植入物是一種安全和有效的胸壁缺損重建修復材料，可以滿足個性化、解剖學的胸壁重建修復需求，且臨床效果良好。
正 文
胸壁缺損可由多種胸壁疾病引起，如腫瘤、先天畸形、輻射損傷和復雜的感染等。由于上述疾病大多需采用手術(shù)方法切除病變及其累及的胸肋骨，從而造成局部皮膚肌肉和骨骼的缺損。目前的臨床觀點認為，胸壁缺損直徑>5 cm 時有必要使用硬質(zhì)植入物重建胸壁，以防止發(fā)生胸壁浮動、反常呼吸和/或呼吸衰竭，肩胛骨后方的缺損直徑>10 cm 時有必要對其進行重建，但是目前尚缺乏高級別臨床證據(jù)來證實上述觀點[1-3]。
目前臨床中常用的胸壁重建材料包括鈦合金材料（如 Matrix-RIB 系統(tǒng)和 STRATOS 系統(tǒng)）、合成材料（如甲基丙烯酸甲酯等），補片材料（如聚四氟乙烯、聚丙烯）或生物骨骼（自體肋骨移植或生物肋骨）。但是傳統(tǒng)的胸壁重建材料目前無法滿足現(xiàn)實的臨床需求。一方面，常用的鈦板、骨水泥、生物肋骨等材料需要在手術(shù)中臨時制作，解剖學和力學的適配性差；另一方面，生物肋骨等材料取材有限，難以實現(xiàn)量產(chǎn)和大范圍缺損的修復。因此，臨床中亟需開發(fā)新型的個性化骨性胸壁重建材料。
近年來，3D 打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在骨科、顱頜面外科、胸外科等專業(yè)取得了良好的進展。從醫(yī)學角度來看，患者的解剖結(jié)構(gòu)和臨床需求不盡相同，批量生產(chǎn)的器械耗材具有完全相同的形狀和尺寸，不能滿足每例患者的個性化需要。利用 3D 打印技術(shù)，為每例患者進行量體裁衣，制定個體化治療方案，將使患者獲得最大的益處。新型 3D 打印胸肋骨植入物則根據(jù)患者解剖學特點構(gòu)建植入物，具有更優(yōu)的解剖適配性。我科室自 2015 年起利用 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物進行胸壁重建手術(shù)，在臨床中取得了滿意的治療效果。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
從 2015 年 5 月到 2018 年 12 月，共 13 例患者使用 3D 打印鈦合金植入物完成胸壁重建手術(shù)。所有患者術(shù)前均接受細針穿刺活檢明確病理診斷，同時接受頭顱、胸腹部 CT、全身骨顯像或正電子發(fā)射斷層顯像/X 線計算機體層成像（PET-CT）等檢查，排除其他器官轉(zhuǎn)移。對于擬行肌皮瓣轉(zhuǎn)移術(shù)的患者，需行肌皮瓣滋養(yǎng)血管造影或超聲檢查。納入的患者需滿足預期胸壁缺損直徑>5 cm。胸壁缺損破壞了胸壁的完整性和胸腔壓力的穩(wěn)定性，影響到患者正常的心肺功能。術(shù)前應(yīng)加強呼吸功能鍛煉，改善肺功能，從而降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。
1.2 3D 打印鈦合金植入物的設(shè)計與打印
所有患者術(shù)前需接受 64 排胸部增強 CT 掃描（GE Lightspeed VCT，GE Healthcare，F(xiàn)airfield，CT），掃描層厚 1.0 mm。將 DICOM 格式胸部 CT 數(shù)據(jù)導入 Mimics（version 17.0；Materialise Inc，Leuven，Belgium）軟件進行模型構(gòu)建；進一步將生成的 STL 文件導入 Geomagic Studio 軟件（version 2012；3D Systems，Morrisville，NC）進行平滑處理和術(shù)前規(guī)劃（圖1）。3D 打印植入物的設(shè)計方案由主刀醫(yī)生和工程師共同制定，所有植入物依據(jù)患者原始胸肋骨結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，同時充分考慮腫瘤切除的邊界原則和無瘤原則。腫瘤切除邊界距離腫瘤邊緣>3 cm 以上。因為在術(shù)前無法準確估計缺損的大小，所以根據(jù)距離腫瘤邊緣 3 cm、4 cm 和 5 cm 的預期切除范圍將 3D 打印假體的尺寸設(shè)計為 3 種尺寸。將上述設(shè)計的 STL 格式文件導入 EOS M280 型打印機（EOS GmbH, Krailling，Germany）進行植入物制作。該打印機應(yīng)用醫(yī)用級鈦合金粉末，利用激光燒結(jié)技術(shù)進行植入物制作。植入物經(jīng)過常規(guī)清洗及高溫高壓滅菌后應(yīng)用于手術(shù)。
圖1 3D 打印鈦合金肋骨
a：胸骨；b：植入物
1.3 手術(shù)方法及圍手術(shù)期處理
所有惡性腫瘤患者均行病變擴大切除手術(shù)，軟組織和骨骼切緣距離腫瘤邊緣 3 cm 以上，同時切除鄰近胸膜。為了達到術(shù)中 R0 切除，應(yīng)用冰凍病理技術(shù)檢查手術(shù)切緣，包括皮膚、肌肉和皮下脂肪組織等，平均采集 6～8 例樣本。切緣最終還需經(jīng)過組織病理學檢查證實。胸壁重建采用“三明治模式”，包括骨骼重建、胸膜重建和軟組織重建。所有患者均采用 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物進行骨骼重建，為確保假體與胸廓連結(jié)部的牢固性，使用鈦螺絲和鈦絲（直徑 1.0 mm）將鈦合金植入物固定于殘余肋骨和胸骨。對于肋骨腫瘤患者，一端用鋼絲固定 3D 打印肋骨與其余肋骨，另一端用兩顆螺釘固定于胸骨。這種結(jié)構(gòu)在最大程度上保證了植入物的穩(wěn)定性。對于胸骨腫瘤患者，3D 打印胸骨用 8 顆螺釘固定在剩余的胸骨上，肋骨端用鋼絲固定在剩余的肋骨上。胸膜重建均使用去抗原化的豬腸系膜補片（廣州冠昊生物科技有限公司），在術(shù)中使用 4 號絲線或 poly 線間斷縫合補片于胸膜殘端或肋間肌，并將補片懸吊在假體上，可使補片緊貼假體，從而盡可能減少肺和假體之間的死腔。軟組織重建是將帶蒂肌皮瓣覆蓋在植入物外表面，常用胸大肌肌皮瓣和背闊肌皮瓣，術(shù)中在皮瓣下放置負壓引流管，因胸膜重建已封閉胸膜腔，因此未在胸腔另置引流管（圖2）。
圖2 3D 打印胸肋骨植入物胸壁重建手術(shù)
a：粘液纖維肉瘤，侵犯左側(cè) 1～4 肋骨；b：切除腫瘤后的胸壁缺損；c：骨骼重建及胸膜重建；d：帶蒂的背闊肌皮瓣覆蓋創(chuàng)面；e：前胸壁慢性化膿性骨髓炎，累及胸骨及 1～8 肋軟骨；f：術(shù)中切除病變后的胸壁缺損；g：骨骼重建及胸膜重建；h：術(shù)后手術(shù)切口外觀
術(shù)后第 2～3 d 使用彈力繃帶對傷口加壓包扎，松緊適度，一般持續(xù) 2～3 周以上，避免早期加壓包扎影響患者呼吸狀態(tài)。所有患者術(shù)前半小時靜脈滴注頭孢曲松至術(shù)后 3～4 d 預防感染。術(shù)后立即拔除氣管插管，術(shù)后 6 h 后可進流質(zhì)飲食，術(shù)后第 1 d 即可下床活動。術(shù)后需常規(guī)每日換藥，觀察轉(zhuǎn)移肌皮瓣是否有壞死。負壓引流管每日引流量<30 mL 時，可將引流管拔除。
1.4 倫理審查
本研究經(jīng)過中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學唐都醫(yī)院倫理委員會批準（倫理批準號：TDLL-2016196-450）。且每例患者術(shù)前都簽署了個人知情同意書。
1.5 觀察指標
在本研究中，通過對所有患者胸壁完整性、是否出現(xiàn)反常呼吸、解剖學重建效果等指標的觀察，進而判斷 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物進行胸壁重建的有效性。通過對圍手術(shù)期（術(shù)后 90 d 內(nèi)）并發(fā)癥，如植入物斷裂、移位、排斥、過敏、肺部并發(fā)癥、切口感染等指標的觀察判斷其安全性。
1.6 統(tǒng)計學分析
計量資料采用均數(shù)±標準差（ ）描述，對于正態(tài)分布且方差齊性的計量資料組間比較采用獨立樣本 t 檢驗。檢驗水準 α=0.05。使用 SPSS 25.0 及 GraphPad Prism 7 軟件進行分析。
2 結(jié)果
2.1 一般情況
本研究共納入 13 例患者，男 9 例、女 4 例，年齡 46（24~78）歲。所有患者中包括 6 例肋骨腫瘤、6 例胸骨腫瘤及 1 例胸骨化膿性骨髓炎（表1）?；颊咝乇谌睋p面積（221.0 ± 206.0）cm2，手術(shù)時間（333.0 ± 129.0）min，術(shù)后住院時間（12.8 ± 6.1）d，拔管時間（8.6 ± 4.1）d，13 例患者均順利出院。將患者按胸骨病變及肋骨病變區(qū)分后統(tǒng)計分析上述臨床數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，胸壁缺損面積、手術(shù)時間、術(shù)后住院時間、拔管時間等臨床指標差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。
表1 13 例患者的臨床資料
2.2 有效性及安全性評價
13 例患者均行胸壁病變擴大切除術(shù)及 3D 打印鈦合金胸肋骨重建術(shù)，其中 5 例患者術(shù)后發(fā)現(xiàn)腫瘤與肺葉粘連而行肺葉楔形切除，2 例行肌皮瓣轉(zhuǎn)移（采用背闊肌和胸大肌肌皮瓣）。所有患者術(shù)后均能維持胸壁完整性，未發(fā)現(xiàn)反常呼吸現(xiàn)象。術(shù)后通過復查 64 排胸部增強 CT 掃描，并進行三維重建可見 3D 打印鈦合金植入物與胸肋骨共同組成完整的胸壁結(jié)構(gòu)，達到了個性化及解剖學的修復目的（圖3a）。在圍手術(shù)期內(nèi)，2 例發(fā)生肺炎，但經(jīng)抗感染及對癥治療后均好轉(zhuǎn)。在術(shù)后 1 年隨訪中，13 例患者未發(fā)生植入物斷裂、移位、排斥、過敏等現(xiàn)象。1 例患者于術(shù)后化療 2 個月后已愈合傷口皮膚出現(xiàn)壞死致胸肋骨植入物裸露，后再次行手術(shù)取出植入物，并行背闊肌皮瓣轉(zhuǎn)移手術(shù)后傷口愈合。
圖3 3D 打印胸肋骨胸壁重建手術(shù)后
a：胸廓三維重建；b：X 線正位片；c：胸部 CT
2.3 影像學特點
在 X 線片上，因為鈦合金植入物密度高并且遠大于皮質(zhì)骨，因此可顯示為清晰的金屬影，能很好地判斷植入物在體內(nèi)的形態(tài)和位置（圖3b）。在 CT 影像中，骨組織的 CT 值為 836 Hu，鈦合金植入物的 CT 值為 3 071 Hu，因此 3D 打印鈦合金植入物顯示為高密度的金屬影，且在所有患者的術(shù)后復查 CT 中，均可看到 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物的影像學偽影，其偽影遮住了覆蓋的組織結(jié)構(gòu)，從而對植入物周圍組織結(jié)構(gòu)的判讀造成不便（圖3c）。
2.4 生存分析
通過門診、電話等方式隨訪 1 年，隨訪期內(nèi)，12例腫瘤患者中 2例腫瘤原位復發(fā)、1 例肺部轉(zhuǎn)移， 復發(fā)率25.0%，其中2例患者死亡，死亡率 16.7%，其余 9 例患者在隨訪期內(nèi)無復發(fā)及轉(zhuǎn)移。
３ 討論
胸壁腫瘤、嚴重感染等疾病常需要徹底或者擴大切除病變，往往造成較大的胸壁缺損，會破壞胸廓的完整性和穩(wěn)定性，使患者出現(xiàn)反常呼吸、呼吸功能障礙等癥狀。對于絕大多數(shù)胸壁腫瘤而言，手術(shù)切除是最常用的治療方式，根據(jù)不同腫瘤類型進行新輔助或輔助治療能夠在一定程度上提高生存率，延長生存時間[4-5]。大范圍切除胸壁后造成的巨大胸壁缺損需要使用硬質(zhì)材料進行重建，以避免發(fā)生反常呼吸和慢性呼吸衰竭[1, 4-5]。不影響或盡量少影響功能的 R0 切除是胸壁腫瘤切除的目標。目前國際上骨性胸壁重建材料分為生物性材料、人工材料、金屬材料、自體骨組織等[6]。相對于這些傳統(tǒng)材料，3D 打印鈦合金胸肋骨植入物可修復更大的胸壁缺損。本研究中，患者胸壁缺損面積達（221.0 ± 206.0）cm2，最大缺損面積達 672 cm2，因此可以實現(xiàn)對胸壁惡性腫瘤的擴大切除，從而盡可能滿足 R0 切除標準，有利于減少胸壁惡性腫瘤的復發(fā)。
相對于其他材料和制作技術(shù)，3D 打印胸肋骨植入物不僅能提供足夠的支撐來維持胸壁的外觀，而且還能達到對胸壁個性化和解剖性的修復[7-8]。雖然傳統(tǒng)的材料在胸壁重建中可以起到良好的支撐作用，但其形狀固定，不能滿足在解剖學上的胸壁修復，影響胸壁外觀；當胸壁缺損面積較大或形狀不規(guī)則時，往往會因材料的外形不適配而出現(xiàn)不能修復的情況，特別是在胸骨切除后形成的胸壁缺損中，不僅修復后的外觀不盡人意，還會影響肺功能進而造成術(shù)后的呼吸相關(guān)并發(fā)癥。3D 打印胸肋骨植入物使用術(shù)前患者薄層胸部 CT 數(shù)據(jù)進行設(shè)計，植入物依據(jù)患者胸肋骨 1∶1 制作，具有更好的解剖學適配性。值得一提的是，植入物的力學強度不僅取決于材料的力學性能，還取決于自身的結(jié)構(gòu)性能。有學者利用 3D 打印技術(shù)制作了螺紋狀、鉸鏈狀的鈦合金胸肋骨植入物，使植入物具有更好的彈性[8-10]。在本組患者中，骨源性腫瘤 4 例，軟組織源性腫瘤 7 例，轉(zhuǎn)移瘤 1 例，胸壁感染 1 例，胸壁腫瘤起源呈多樣性，7 例患者行胸骨切除，6 例患者行肋骨切除，缺損部位呈多形性和特殊性，因而對于胸壁重建的要求也更加多樣化和個性化，在對所有患者的術(shù)后復查 CT 三維重建中可以看到 3D 打印胸肋骨植入物對缺損部位進行了原位解剖性的修復，達到了胸壁缺損部位的原位重建。不僅如此，我們利用 3D 打印技術(shù)制作鈦合金肋骨植入物時，也嘗試采用彈簧結(jié)構(gòu)模擬肋軟骨的彈性，使患者能更好地進行胸式呼吸，以期達到對胸壁的功能學修復。
Berthet 等[8]對采用 Matrix-RIB 系統(tǒng)及 STRATOS 系統(tǒng)進行胸壁重建的失敗因素進行了分析，在這 54 例患者中，24 例 (44%) 植入失敗，其中，20 例（83.3%）的植入物發(fā)生斷裂，4 例（16.7%) 的植入物發(fā)生移位，在植入物斷裂或移位的患者中，植入物完好的平均持續(xù)時間為 1～12（6.6 ±3.1）個月。在本研究中，在術(shù)后 1 年內(nèi)，所有患者均未發(fā)生植入物斷裂、移位、過敏等現(xiàn)象，因此，3D 打印鈦合金植入物的安全性能較好，但仍需更長時間的觀察。另外，本組患者采用胸膜重建、骨性重建和軟組織重建的“三明治”模式進行胸壁重建。由于鈦的疏水性使其難以附著在肺組織上及與周圍軟組織發(fā)生黏附，而人工胸膜補片具有良好的親水性和組織相容性[11]。因此術(shù)中使用補片進行胸膜重建可以促進肺組織與假體的粘連，維持胸腔的穩(wěn)定性。此外，胸壁切除后創(chuàng)傷性滲出物主要來自傷口周圍的肌肉和結(jié)締組織。胸膜重建可以有效地阻止?jié)B出物進入胸膜腔，避免留置胸腔引流管，從而減少術(shù)后患者疼痛，促進術(shù)后恢復。
雖然 3D 打印胸肋骨植入物在胸壁重建中可以滿足個性化和解剖性的修復需求，但仍存在一些缺陷。首先，3D 打印技術(shù)對術(shù)者和工程師的配合度要求很高。術(shù)者必須在術(shù)前充分評估病變的切除范圍，在此基礎(chǔ)上還需對手術(shù)中可能遇到的意外情況充分預估，因為現(xiàn)有的 3D 打印植入物無法在術(shù)中調(diào)整其形狀和尺寸。其次，從材料物理屬性而言，鈦合金等金屬材料具有較高密度，后期影像學檢查常常產(chǎn)生強烈的偽影，對后續(xù)疾病的診斷和治療造成一定影響。第三，因鈦合金材料具有較高的彈性模量，因此會造成一定程度的限制性肺通氣功能障礙。
綜上所述，對于大面積的胸壁缺損，用 3D 打印鈦合金胸肋骨植入物進行胸壁重建是安全可行的，可以滿足個性化和解剖性的修復需求，降低呼吸相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生。3D 打印胸肋骨植入物的使用提供了良好的臨床效果，優(yōu)于過去使用的各項材料。這也增加了更廣泛切除病變的可能性，并可能開發(fā)新的手術(shù)適應(yīng)證。但其也不盡完美，在不遠的將來，希望有更加完美的新材料和新方法用于胸壁重建。
