3D打印钛合金胸肋骨植入物在胸壁重建中的临床应用

来源：华西胸心杂志

目的　
使用 3D 打印技术制造钛合金胸肋骨，并应用于大范围胸壁缺损的重建修复，以期满足个性化、解剖学的胸壁重建需求并观察其临床疗效。

方法　
共纳入 13 例患者，男 9 例、女 4 例，年龄 46 （24～78）岁。所有患者均使用 3D 打印钛合金胸肋骨植入物对胸壁缺损进行重建，随访观察 1 年。收集患者的人口学特征，围手术期相关临床数据，并对获得数据进行统计学分析。

结果　
6 例肋骨肿瘤、6 例胸骨肿瘤及 1 例胸骨化脓性骨髓炎患者最终纳入本研究。所有患者术后均能维持胸壁完整性，未发现反常呼吸现象，达到了个性化及解剖学的修复目的。胸壁缺损面积为（221.0±206.0）cm2。13 例患者均顺利出院，围手术期内无死亡，2 例发生肺炎。1 年随访期内，未发生植入物断裂、移位、排斥、过敏等现象；1 例患者化疗后切口溃疡，3 例患者术后 1 年内肿瘤复发，其中2 例患者发生死亡，12 例肿瘤患者 1 年复发率 25.0%，死亡率 16.7%。

结论　
3D 打印钛合金胸肋骨植入物是一种安全和有效的胸壁缺损重建修复材料，可以满足个性化、解剖学的胸壁重建修复需求，且临床效果良好。

正  文
胸壁缺损可由多种胸壁疾病引起，如肿瘤、先天畸形、辐射损伤和复杂的感染等。由于上述疾病大多需采用手术方法切除病变及其累及的胸肋骨，从而造成局部皮肤肌肉和骨骼的缺损。目前的临床观点认为，胸壁缺损直径>5 cm 时有必要使用硬质植入物重建胸壁，以防止发生胸壁浮动、反常呼吸和/或呼吸衰竭，肩胛骨后方的缺损直径>10 cm 时有必要对其进行重建，但是目前尚缺乏高级别临床证据来证实上述观点[1-3]。

目前临床中常用的胸壁重建材料包括钛合金材料（如 Matrix-RIB 系统和 STRATOS 系统）、合成材料（如甲基丙烯酸甲酯等），补片材料（如聚四氟乙烯、聚丙烯）或生物骨骼（自体肋骨移植或生物肋骨）。但是传统的胸壁重建材料目前无法满足现实的临床需求。一方面，常用的钛板、骨水泥、生物肋骨等材料需要在手术中临时制作，解剖学和力学的适配性差；另一方面，生物肋骨等材料取材有限，难以实现量产和大范围缺损的修复。因此，临床中亟需开发新型的个性化骨性胸壁重建材料。

近年来，3D 打印技术在医疗领域内的应用越来越广泛，尤其在骨科、颅颌面外科、胸外科等专业取得了良好的进展。从医学角度来看，患者的解剖结构和临床需求不尽相同，批量生产的器械耗材具有完全相同的形状和尺寸，不能满足每例患者的个性化需要。利用 3D 打印技术，为每例患者进行量体裁衣，制定个体化治疗方案，将使患者获得最大的益处。新型 3D 打印胸肋骨植入物则根据患者解剖学特点构建植入物，具有更优的解剖适配性。我科室自 2015 年起利用 3D 打印钛合金胸肋骨植入物进行胸壁重建手术，在临床中取得了满意的治疗效果。

1   资料与方法
1.1   临床资料
从 2015 年 5 月到 2018 年 12 月，共 13 例患者使用 3D 打印钛合金植入物完成胸壁重建手术。所有患者术前均接受细针穿刺活检明确病理诊断，同时接受头颅、胸腹部 CT、全身骨显像或正电子发射断层显像/X 线计算机体层成像（PET-CT）等检查，排除其他器官转移。对于拟行肌皮瓣转移术的患者，需行肌皮瓣滋养血管造影或超声检查。纳入的患者需满足预期胸壁缺损直径>5 cm。胸壁缺损破坏了胸壁的完整性和胸腔压力的稳定性，影响到患者正常的心肺功能。术前应加强呼吸功能锻炼，改善肺功能，从而降低术后并发症的发生率。

1.2   3D 打印钛合金植入物的设计与打印
所有患者术前需接受 64 排胸部增强 CT 扫描（GE Lightspeed VCT，GE Healthcare，Fairfield，CT），扫描层厚 1.0 mm。将 DICOM 格式胸部 CT 数据导入 Mimics（version 17.0；Materialise Inc，Leuven，Belgium）软件进行模型构建；进一步将生成的 STL 文件导入 Geomagic Studio 软件（version 2012；3D Systems，Morrisville，NC）进行平滑处理和术前规划（图1）。3D 打印植入物的设计方案由主刀医生和工程师共同制定，所有植入物依据患者原始胸肋骨结构进行设计，同时充分考虑肿瘤切除的边界原则和无瘤原则。肿瘤切除边界距离肿瘤边缘>3 cm 以上。因为在术前无法准确估计缺损的大小，所以根据距离肿瘤边缘 3 cm、4 cm 和 5 cm 的预期切除范围将 3D 打印假体的尺寸设计为 3 种尺寸。将上述设计的 STL 格式文件导入 EOS M280 型打印机（EOS GmbH, Krailling，Germany）进行植入物制作。该打印机应用医用级钛合金粉末，利用激光烧结技术进行植入物制作。植入物经过常规清洗及高温高压灭菌后应用于手术。

图1　3D 打印钛合金肋骨　

a：胸骨；b：植入物

1.3   手术方法及围手术期处理
所有恶性肿瘤患者均行病变扩大切除手术，软组织和骨骼切缘距离肿瘤边缘 3 cm 以上，同时切除邻近胸膜。为了达到术中 R0 切除，应用冰冻病理技术检查手术切缘，包括皮肤、肌肉和皮下脂肪组织等，平均采集 6～8 例样本。切缘最终还需经过组织病理学检查证实。胸壁重建采用“三明治模式”，包括骨骼重建、胸膜重建和软组织重建。所有患者均采用 3D 打印钛合金胸肋骨植入物进行骨骼重建，为确保假体与胸廓连结部的牢固性，使用钛螺丝和钛丝（直径 1.0 mm）将钛合金植入物固定于残余肋骨和胸骨。对于肋骨肿瘤患者，一端用钢丝固定 3D 打印肋骨与其余肋骨，另一端用两颗螺钉固定于胸骨。这种结构在最大程度上保证了植入物的稳定性。对于胸骨肿瘤患者，3D 打印胸骨用 8 颗螺钉固定在剩余的胸骨上，肋骨端用钢丝固定在剩余的肋骨上。胸膜重建均使用去抗原化的猪肠系膜补片（广州冠昊生物科技有限公司），在术中使用 4 号丝线或 poly 线间断缝合补片于胸膜残端或肋间肌，并将补片悬吊在假体上，可使补片紧贴假体，从而尽可能减少肺和假体之间的死腔。软组织重建是将带蒂肌皮瓣覆盖在植入物外表面，常用胸大肌肌皮瓣和背阔肌皮瓣，术中在皮瓣下放置负压引流管，因胸膜重建已封闭胸膜腔，因此未在胸腔另置引流管（图2）。

图2　3D 打印胸肋骨植入物胸壁重建手术　

a：粘液纤维肉瘤，侵犯左侧 1～4 肋骨；b：切除肿瘤后的胸壁缺损；c：骨骼重建及胸膜重建；d：带蒂的背阔肌皮瓣覆盖创面；e：前胸壁慢性化脓性骨髓炎，累及胸骨及 1～8 肋软骨；f：术中切除病变后的胸壁缺损；g：骨骼重建及胸膜重建；h：术后手术切口外观

术后第 2～3 d 使用弹力绷带对伤口加压包扎，松紧适度，一般持续 2～3 周以上，避免早期加压包扎影响患者呼吸状态。所有患者术前半小时静脉滴注头孢曲松至术后 3～4 d 预防感染。术后立即拔除气管插管，术后 6 h 后可进流质饮食，术后第 1 d 即可下床活动。术后需常规每日换药，观察转移肌皮瓣是否有坏死。负压引流管每日引流量<30 mL 时，可将引流管拔除。

1.4   伦理审查
本研究经过中国人民解放军第四军医大学唐都医院伦理委员会批准（伦理批准号：TDLL-2016196-450）。且每例患者术前都签署了个人知情同意书。


1.5   观察指标
在本研究中，通过对所有患者胸壁完整性、是否出现反常呼吸、解剖学重建效果等指标的观察，进而判断 3D 打印钛合金胸肋骨植入物进行胸壁重建的有效性。通过对围手术期（术后 90 d 内）并发症，如植入物断裂、移位、排斥、过敏、肺部并发症、切口感染等指标的观察判断其安全性。

1.6   统计学分析
计量资料采用均数±标准差（ ）描述，对于正态分布且方差齐性的计量资料组间比较采用独立样本 t 检验。检验水准 α=0.05。使用 SPSS 25.0 及 GraphPad Prism 7 软件进行分析。

2   结果

2.1   一般情况
本研究共纳入 13 例患者，男 9 例、女 4 例，年龄 46（24~78）岁。所有患者中包括 6 例肋骨肿瘤、6 例胸骨肿瘤及 1 例胸骨化脓性骨髓炎（表1）。患者胸壁缺损面积（221.0 ± 206.0）cm2，手术时间（333.0 ± 129.0）min，术后住院时间（12.8 ± 6.1）d，拔管时间（8.6 ± 4.1）d，13 例患者均顺利出院。将患者按胸骨病变及肋骨病变区分后统计分析上述临床数据发现，胸壁缺损面积、手术时间、术后住院时间、拔管时间等临床指标差异无统计学意义（P>0.05）。

表1 13 例患者的临床资料

2.2   有效性及安全性评价
13 例患者均行胸壁病变扩大切除术及 3D 打印钛合金胸肋骨重建术，其中 5 例患者术后发现肿瘤与肺叶粘连而行肺叶楔形切除，2 例行肌皮瓣转移（采用背阔肌和胸大肌肌皮瓣）。所有患者术后均能维持胸壁完整性，未发现反常呼吸现象。术后通过复查 64 排胸部增强 CT 扫描，并进行三维重建可见 3D 打印钛合金植入物与胸肋骨共同组成完整的胸壁结构，达到了个性化及解剖学的修复目的（图3a）。在围手术期内，2 例发生肺炎，但经抗感染及对症治疗后均好转。在术后 1 年随访中，13 例患者未发生植入物断裂、移位、排斥、过敏等现象。1 例患者于术后化疗 2 个月后已愈合伤口皮肤出现坏死致胸肋骨植入物裸露，后再次行手术取出植入物，并行背阔肌皮瓣转移手术后伤口愈合。

图3　3D 打印胸肋骨胸壁重建手术后　

a：胸廓三维重建；b：X 线正位片；c：胸部 CT

2.3   影像学特点
在 X 线片上，因为钛合金植入物密度高并且远大于皮质骨，因此可显示为清晰的金属影，能很好地判断植入物在体内的形态和位置（图3b）。在 CT 影像中，骨组织的 CT 值为 836 Hu，钛合金植入物的 CT 值为 3 071 Hu，因此 3D 打印钛合金植入物显示为高密度的金属影，且在所有患者的术后复查 CT 中，均可看到 3D 打印钛合金胸肋骨植入物的影像学伪影，其伪影遮住了覆盖的组织结构，从而对植入物周围组织结构的判读造成不便（图3c）。


2.4   生存分析
通过门诊、电话等方式随访 1 年，随访期内，12例肿瘤患者中 2例肿瘤原位复发、1 例肺部转移， 复发率25.0%，其中2例患者死亡，死亡率 16.7%，其余 9 例患者在随访期内无复发及转移。

３   讨论
胸壁肿瘤、严重感染等疾病常需要彻底或者扩大切除病变，往往造成较大的胸壁缺损，会破坏胸廓的完整性和稳定性，使患者出现反常呼吸、呼吸功能障碍等症状。对于绝大多数胸壁肿瘤而言，手术切除是最常用的治疗方式，根据不同肿瘤类型进行新辅助或辅助治疗能够在一定程度上提高生存率，延长生存时间[4-5]。大范围切除胸壁后造成的巨大胸壁缺损需要使用硬质材料进行重建，以避免发生反常呼吸和慢性呼吸衰竭[1, 4-5]。不影响或尽量少影响功能的 R0 切除是胸壁肿瘤切除的目标。目前国际上骨性胸壁重建材料分为生物性材料、人工材料、金属材料、自体骨组织等[6]。相对于这些传统材料，3D 打印钛合金胸肋骨植入物可修复更大的胸壁缺损。本研究中，患者胸壁缺损面积达（221.0 ± 206.0）cm2，最大缺损面积达 672 cm2，因此可以实现对胸壁恶性肿瘤的扩大切除，从而尽可能满足 R0 切除标准，有利于减少胸壁恶性肿瘤的复发。

相对于其他材料和制作技术，3D 打印胸肋骨植入物不仅能提供足够的支撑来维持胸壁的外观，而且还能达到对胸壁个性化和解剖性的修复[7-8]。虽然传统的材料在胸壁重建中可以起到良好的支撑作用，但其形状固定，不能满足在解剖学上的胸壁修复，影响胸壁外观；当胸壁缺损面积较大或形状不规则时，往往会因材料的外形不适配而出现不能修复的情况，特别是在胸骨切除后形成的胸壁缺损中，不仅修复后的外观不尽人意，还会影响肺功能进而造成术后的呼吸相关并发症。3D 打印胸肋骨植入物使用术前患者薄层胸部 CT 数据进行设计，植入物依据患者胸肋骨 1∶1 制作，具有更好的解剖学适配性。值得一提的是，植入物的力学强度不仅取决于材料的力学性能，还取决于自身的结构性能。有学者利用 3D 打印技术制作了螺纹状、铰链状的钛合金胸肋骨植入物，使植入物具有更好的弹性[8-10]。在本组患者中，骨源性肿瘤 4 例，软组织源性肿瘤 7 例，转移瘤 1 例，胸壁感染 1 例，胸壁肿瘤起源呈多样性，7 例患者行胸骨切除，6 例患者行肋骨切除，缺损部位呈多形性和特殊性，因而对于胸壁重建的要求也更加多样化和个性化，在对所有患者的术后复查 CT 三维重建中可以看到 3D 打印胸肋骨植入物对缺损部位进行了原位解剖性的修复，达到了胸壁缺损部位的原位重建。不仅如此，我们利用 3D 打印技术制作钛合金肋骨植入物时，也尝试采用弹簧结构模拟肋软骨的弹性，使患者能更好地进行胸式呼吸，以期达到对胸壁的功能学修复。

Berthet 等[8]对采用 Matrix-RIB 系统及 STRATOS 系统进行胸壁重建的失败因素进行了分析，在这 54 例患者中，24 例 (44%) 植入失败，其中，20 例（83.3%）的植入物发生断裂，4 例（16.7%) 的植入物发生移位，在植入物断裂或移位的患者中，植入物完好的平均持续时间为 1～12（6.6 ±3.1）个月。在本研究中，在术后 1 年内，所有患者均未发生植入物断裂、移位、过敏等现象，因此，3D 打印钛合金植入物的安全性能较好，但仍需更长时间的观察。另外，本组患者采用胸膜重建、骨性重建和软组织重建的“三明治”模式进行胸壁重建。由于钛的疏水性使其难以附着在肺组织上及与周围软组织发生黏附，而人工胸膜补片具有良好的亲水性和组织相容性[11]。因此术中使用补片进行胸膜重建可以促进肺组织与假体的粘连，维持胸腔的稳定性。此外，胸壁切除后创伤性渗出物主要来自伤口周围的肌肉和结缔组织。胸膜重建可以有效地阻止渗出物进入胸膜腔，避免留置胸腔引流管，从而减少术后患者疼痛，促进术后恢复。

虽然 3D 打印胸肋骨植入物在胸壁重建中可以满足个性化和解剖性的修复需求，但仍存在一些缺陷。首先，3D 打印技术对术者和工程师的配合度要求很高。术者必须在术前充分评估病变的切除范围，在此基础上还需对手术中可能遇到的意外情况充分预估，因为现有的 3D 打印植入物无法在术中调整其形状和尺寸。其次，从材料物理属性而言，钛合金等金属材料具有较高密度，后期影像学检查常常产生强烈的伪影，对后续疾病的诊断和治疗造成一定影响。第三，因钛合金材料具有较高的弹性模量，因此会造成一定程度的限制性肺通气功能障碍。

综上所述，对于大面积的胸壁缺损，用 3D 打印钛合金胸肋骨植入物进行胸壁重建是安全可行的，可以满足个性化和解剖性的修复需求，降低呼吸相关并发症的发生。3D 打印胸肋骨植入物的使用提供了良好的临床效果，优于过去使用的各项材料。这也增加了更广泛切除病变的可能性，并可能开发新的手术适应证。但其也不尽完美，在不远的将来，希望有更加完美的新材料和新方法用于胸壁重建。