3D打印技术应用于胸骨缺损修复的可行性研究

温小鹏 高山 李硕 付军科 张广健

·论著·

3D打印技术应用于胸骨缺损修复的可行性研究

温小鹏 高山 李硕 付军科 张广健

目的 验证3D打印技术制作个体化钛合金胸骨假体的力学性能和应力分布，探讨其在修复胸骨缺损中应用的可行性。方法 通过胸部CT三维重建数据构建骨性胸廓模型，应用计算机辅助设计技术及镜像技术，设计目标假体的三维数据，并通过三维有限元对假体进行应力分析；之后采用钛合金粉末打印出与缺损骨质完全匹配的假体，进行强度测试；最后进行手术植入完成胸骨缺损的修复。结果 3D打印的钛合金假体的屈服强度为(950±14)MPa，极限强度为(1005±26)MPa。三维有限元分析结果显示，胸骨假体等效应力分布均匀。假体能够精确重塑原有胸廓的几何形态和解剖外形，随访半年植入物与周围骨性结构固定牢靠，与周围组织相容性良好，无排异反应发生。结论 通过计算机辅助设计和3D打印技术能够制作出高精度个性化钛合金胸骨假体，材料性能满足外科临床植入物的标准，对胸壁重建塑形效果良好，手术操作简便，此方法是胸骨大块缺损修复的可靠技术保证。

3D打印； 钛合金假体； 胸骨缺损； 修复

胸骨大块缺损的重建方法一直是临床难题，既往替代胸骨的重建材料均非适形材料。我们利用三维(three-dimensional，3D)图像重建技术、计算机辅助设计技术(computer-aided design，CAD)、镜像反求技术，设计胸骨假体的三维数据，并模拟截骨修复过程，提高手术的可预见性[1]；之后采用激光快速成形技术打印出个体化胸骨假体，植入病人体内，修复胸骨缺损。我们选取1例胸骨肿瘤病人，整体评估3D打印技术应用于胸骨修复的可行性，近期临床效果良好。现报道如下。

对象与方法

一、对象

病人 男，64岁。发现胸壁肿块4年入院。胸部CT检查提示胸骨下段骨质破坏，可见约5 cm×5 cm×5 cm大小不规则肿块，突出胸廓外，内有多发斑片状高密度影，考虑软骨肉瘤。病人术前影像学检查见图1。无明显手术禁忌及远处转移征象，可行手术治疗。签署知情同意书并通过医院伦理委员会审核。手术计划：切除第3胸肋关节下所有胸骨、双侧第3、4、5、6、7肋软骨、上述肋骨肋间肌等胸壁软组织；将3D打印的胸骨下段及双侧肋软骨钛合金假体植入；腹直肌转移皮瓣覆盖假体。

二、方法

1.胸骨假体的设计与分析：将病人胸部64层CT扫描数据(DICOM格式)导入Mimics 19.0软件(materialise公司)中，构建骨性胸廓的三维模型，以距肿瘤2 cm以上切除为原则，确定截骨范围并模拟截骨手术过程。应用CAD及镜像反求技术得出拟截除段(包含肋软骨)的精确三维数据，设计出胸骨及相连诸肋替代假体(下简称胸骨假体)，并确定拟植入位置(图2)。假体两端设计有直径2 mm的固定孔3～5个，主体部分设计了多个分布均匀的减重孔。

可见胸骨下段骨质破坏，肿瘤向胸腔内外呈膨胀性生长

图2 肿瘤的三维重建模型及假体三维模型

通过模型进行胸骨假体的三维有限元分析，将胸骨假体固定于骨性胸廓，采用Ansys 5.7(Ansys,USA)有限元分析软件分析胸骨假体的应力大小和分布情况。评估假体在一定载荷下是否符合人体骨骼力学的要求，分析固定力点的选择是否合理。

2.3D打印钛合金胸骨假体的制备和测定：将数据转换为STL格式并导入激光金属直接成形3D打印设备中(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室提供)，制造出钛合金胸骨假体，包括胸骨端及肋骨端的固定结构、减重孔等，与计算机设计一致，精确地重塑出对称的骨性胸廓形态。假体表面无划痕、裂纹、毛刺、螺口卷边等加工所致的宏观缺陷和表面微裂纹等微观缺陷(图3)。

为检测钛合金金属材料的力学性能，评估钛合金假体是否符合人体长期生理活动的需要，能否满足承受一定暴力、保护胸腔脏器的要求。制备了钛合金的标准拉伸试件和三点弯曲标准试件。采用万能材料实验机(SANS，MTS，USA)，根据GB 228/ISO 6892室温力学拉伸实验测试标准，测试成形钛合金的屈服强度、极限强度。

图3 3D打印的钛合金胸骨假体正反面

3.胸骨假体植入手术及术后随访：手术采用气管插管全身麻醉，病人取平卧位，沿正中线切开肿瘤表面皮肤，沿肿瘤包膜游离，上至第3胸肋关节上缘，下至肋弓交界，两侧距肿瘤2 cm，切除肿瘤。将消毒灭菌处理后的胸骨假体以钢丝线及韧带线分别与肋骨断端及剩余胸骨固定，后设计游离腹直肌皮瓣转移至胸部伤口缝合。放置伤口内引流管，胸壁弹力绷带加压包扎固定。手术时间3小时，出血量约100 ml。术后1日复查胸片检查假体固定情况；术后1个月复查胸部三维重建数据，术后第1年间隔3个月来院复查。

结 果

1.胸骨假体的分析测量结果：三维有限元分析结果：胸骨假体在设计过程中，进行了快速生物力学分析，得到了应力分布云图，如图4所示，分析结果可以为假体的修改提供参考。给予模拟负荷后，胸骨假体等效应力分布均匀，设计符合人体骨骼力学的要求，固定力点的选择合理。

图4 胸骨假体的应力分布云图(应力单位：MPa)

3D打印钛合金胸骨假体的力学性能均符合国家医药行业标准对外科植入物的力学要求。激光成形的钛合金样品进行打磨后喷砂，喷砂能增大表面粗糙度，增加假体和软组织的接触面积，利于和软组织结合。

2.术后恢复及随访：术后病理：“胸骨”软骨肉瘤Ⅱ级侵及邻近骨组织，切缘未见肿瘤组织。术后3天拔除纵隔引流管，无并发症发生，7天出院，胸带固定1周后去除，伤口愈合良好。术后1个月复查胸壁塑形良好，无畸形，未见胸廓不稳定及胸骨浮动等症状，X线检查见假体位置无移位、固定良好，胸部CT三维重建可见胸骨假体与骨性胸廓完美结合(图5)。术后4个月复查，假体固定牢靠、胸壁稳固无畸形、无异物排斥反应。

图5 术后1个月X线片及胸部CT三维重建复查结果

讨 论

胸壁的大块骨性缺损可以由胸骨或肋骨因素造成，比如胸骨或肋骨的先天畸形、发育不良、外伤、原发或继发的肿瘤性病变，在手术治疗时都可能造成胸壁大块缺损。目前国内外的修复重建方法主要有软组织修复和骨性重建两种，软组织修复一般采用游离胸壁肌肉对拢缝合，这种方法稳定性差，容易引起胸壁软化、反常呼吸及纵隔摆动等并发症，术后还会因胸壁塌陷影响美观。因此，大多数学者认为胸壁缺损>6 cm×6 cm需行骨性重建，恢复胸廓的形态功能[2]。修复时一般选择坚固、理化性质稳定的材料[3]，报道较多的有Marlex®网、骨水泥、Prolene®网、不锈钢网等[4]。国内报道使用的有钛网、钛板、有机玻璃等[5]。但由于材料硬度不足或者不易塑形及裁剪，适形性较差，无法维持胸廓的稳定性或无法避免胸廓畸形，因而仅适用于较小的胸壁缺损修补。

既往的胸壁修复材料在手术中一般需要进一步修整塑形，与病人胸廓只能大概匹配，修复后整形效果较差，均会有或多或少的外观畸形。3D打印是一种采用可粘合材料逐层构造物体的工程技术，近年来已广泛地应用于医学领域，尤其是在术前规划方面有很大帮助[6]，其具有个性化、精准化的特点，每一个产品都是针对某个个体的[7]。我们使用3D打印技术为病人量身定制个性化钛合金假体，能使缺损得到个性化精确修复。钛合金有与骨组织相匹配的硬度和弹性模量，组织相容好、可塑性强、灭菌消毒不变形、不影响CT和MRI检查等优点[8]。由于假体以病人正常胸廓为模板个性化定制，与正常胸廓的弧度一致，周围的肋骨残端和胸骨残端会更紧密贴合，可有效提高胸廓的稳定性和坚固性。

本研究以病人的CT三维数据为模板定制个性化胸骨假体，3D打印出的替代胸骨与正常胸廓的弧度一致，与切除残端贴合更紧密，提高了重建胸廓的稳定性，保证了良好的美容效果。本例病人植入假体后，覆盖以腹直肌转移肌瓣，完全恢复到正常胸廓外形。术后复查可见胸壁坚实、稳固、外观良好无畸形，无感染及异物排斥反应。胸部CT三维重建可见钛合金假体与骨性胸廓固定牢靠，走形自然；随访期间，病人正常生活及活动，未发现胸壁变形及假体松动、变形、移动、裂断等现象。

使用3D打印个体化钛合金胸骨假体修复胸骨缺损，完成骨性胸廓重建，有以下优点：(1)钛合金材料强度、弹性均符合骨性胸廓替代原则，可以与周围骨关节有效固定，保持正常的肺功能，防止术后胸壁浮动及反常呼吸；(2)组织相容性好，异物反应小，不易感染，可长期植入；(3)假体完全根据病人原有胸廓的生理形态设计，植入后胸廓塑形性良好，无畸形。

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(本文编辑:杨泽平)

Feasibility study on application of 3D printing technology to repair of sternal defect

WEN Xiaopeng，GAO Shan，LI Shuo，et al.

(Department of Thoracic Surgery,First Affiliated Hospital of Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710061,China)

Objective To study the mechanical properties and stress distribution of custom design and printed sternum prosthesis in reconstructing large sternum defects of chest wall following en-bloc surgery,demonstrate its feasibility.Methods 3D model of the bony defect is generated after the acquisition of helical CT data.A customized implant is designed using Computer Aided Design(CAD)and mirror technology and later fabricated using titanium alloy powder.The end result product are then fixed onto patient during surgery.Results The yield strength of the titanium alloy implants were(950±14)MPa,and the ultimate tensile strength were(1005±26)MPa.Three dimensional finite element analysis results showed an evenly stress distribution of the implant.The reconstruction quality and contour of the repaired chest wall was satisfactory.No rejection occurred during the 6month follow-up.Conclusion Chest reconstruction with customized titanium alloy sternum prosthesis is a reliable technique for the repair of the bony defect.

3D printing; titanium alloy prosthesis; sternum defect; repair

10.3969/j.issn.1005-6483.2017.08.015

710061 西安交通大学第一附属医院胸外科

张广健，Email：michael8039@163.com

2017-03-08)