3D打印技術應用于胸骨缺損修復的可行性研究

溫小鵬 高山 李碩 付軍科 張廣健

·論著·

3D打印技術應用于胸骨缺損修復的可行性研究

溫小鵬 高山 李碩 付軍科 張廣健

目的 驗證3D打印技術制作個體化鈦合金胸骨假體的力學性能和應力分布，探討其在修復胸骨缺損中應用的可行性。方法 通過胸部CT三維重建數據構建骨性胸廓模型，應用計算機輔助設計技術及鏡像技術，設計目標假體的三維數據，并通過三維有限元對假體進行應力分析；之后采用鈦合金粉末打印出與缺損骨質完全匹配的假體，進行強度測試；最后進行手術植入完成胸骨缺損的修復。結果 3D打印的鈦合金假體的屈服強度為(950±14)MPa，極限強度為(1005±26)MPa。三維有限元分析結果顯示，胸骨假體等效應力分布均勻。假體能夠精確重塑原有胸廓的幾何形態和解剖外形，隨訪半年植入物與周圍骨性結構固定牢靠，與周圍組織相容性良好，無排異反應發生。結論 通過計算機輔助設計和3D打印技術能夠制作出高精度個性化鈦合金胸骨假體，材料性能滿足外科臨床植入物的標準，對胸壁重建塑形效果良好，手術操作簡便，此方法是胸骨大塊缺損修復的可靠技術保證。

3D打??； 鈦合金假體； 胸骨缺損； 修復

胸骨大塊缺損的重建方法一直是臨床難題，既往替代胸骨的重建材料均非適形材料。我們利用三維(three-dimensional，3D)圖像重建技術、計算機輔助設計技術(computer-aided design，CAD)、鏡像反求技術，設計胸骨假體的三維數據，并模擬截骨修復過程，提高手術的可預見性[1]；之后采用激光快速成形技術打印出個體化胸骨假體，植入病人體內，修復胸骨缺損。我們選取1例胸骨腫瘤病人，整體評估3D打印技術應用于胸骨修復的可行性，近期臨床效果良好。現報道如下。

對象與方法

一、對象

病人 男，64歲。發現胸壁腫塊4年入院。胸部CT檢查提示胸骨下段骨質破壞，可見約5 cm×5 cm×5 cm大小不規則腫塊，突出胸廓外，內有多發斑片狀高密度影，考慮軟骨肉瘤。病人術前影像學檢查見圖1。無明顯手術禁忌及遠處轉移征象，可行手術治療。簽署知情同意書并通過醫院倫理委員會審核。手術計劃：切除第3胸肋關節下所有胸骨、雙側第3、4、5、6、7肋軟骨、上述肋骨肋間肌等胸壁軟組織；將3D打印的胸骨下段及雙側肋軟骨鈦合金假體植入；腹直肌轉移皮瓣覆蓋假體。

二、方法

1.胸骨假體的設計與分析：將病人胸部64層CT掃描數據(DICOM格式)導入Mimics 19.0軟件(materialise公司)中，構建骨性胸廓的三維模型，以距腫瘤2 cm以上切除為原則，確定截骨范圍并模擬截骨手術過程。應用CAD及鏡像反求技術得出擬截除段(包含肋軟骨)的精確三維數據，設計出胸骨及相連諸肋替代假體(下簡稱胸骨假體)，并確定擬植入位置(圖2)。假體兩端設計有直徑2 mm的固定孔3～5個，主體部分設計了多個分布均勻的減重孔。

可見胸骨下段骨質破壞，腫瘤向胸腔內外呈膨脹性生長

圖2 腫瘤的三維重建模型及假體三維模型

通過模型進行胸骨假體的三維有限元分析，將胸骨假體固定于骨性胸廓，采用Ansys 5.7(Ansys,USA)有限元分析軟件分析胸骨假體的應力大小和分布情況。評估假體在一定載荷下是否符合人體骨骼力學的要求，分析固定力點的選擇是否合理。

2.3D打印鈦合金胸骨假體的制備和測定：將數據轉換為STL格式并導入激光金屬直接成形3D打印設備中(西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室提供)，制造出鈦合金胸骨假體，包括胸骨端及肋骨端的固定結構、減重孔等，與計算機設計一致，精確地重塑出對稱的骨性胸廓形態。假體表面無劃痕、裂紋、毛刺、螺口卷邊等加工所致的宏觀缺陷和表面微裂紋等微觀缺陷(圖3)。

為檢測鈦合金金屬材料的力學性能，評估鈦合金假體是否符合人體長期生理活動的需要，能否滿足承受一定暴力、保護胸腔臟器的要求。制備了鈦合金的標準拉伸試件和三點彎曲標準試件。采用萬能材料實驗機(SANS，MTS，USA)，根據GB 228/ISO 6892室溫力學拉伸實驗測試標準，測試成形鈦合金的屈服強度、極限強度。

圖3 3D打印的鈦合金胸骨假體正反面

3.胸骨假體植入手術及術后隨訪：手術采用氣管插管全身麻醉，病人取平臥位，沿正中線切開腫瘤表面皮膚，沿腫瘤包膜游離，上至第3胸肋關節上緣，下至肋弓交界，兩側距腫瘤2 cm，切除腫瘤。將消毒滅菌處理后的胸骨假體以鋼絲線及韌帶線分別與肋骨斷端及剩余胸骨固定，后設計游離腹直肌皮瓣轉移至胸部傷口縫合。放置傷口內引流管，胸壁彈力繃帶加壓包扎固定。手術時間3小時，出血量約100 ml。術后1日復查胸片檢查假體固定情況；術后1個月復查胸部三維重建數據，術后第1年間隔3個月來院復查。

結 果

1.胸骨假體的分析測量結果：三維有限元分析結果：胸骨假體在設計過程中，進行了快速生物力學分析，得到了應力分布云圖，如圖4所示，分析結果可以為假體的修改提供參考。給予模擬負荷后，胸骨假體等效應力分布均勻，設計符合人體骨骼力學的要求，固定力點的選擇合理。

圖4 胸骨假體的應力分布云圖(應力單位：MPa)

3D打印鈦合金胸骨假體的力學性能均符合國家醫藥行業標準對外科植入物的力學要求。激光成形的鈦合金樣品進行打磨后噴砂，噴砂能增大表面粗糙度，增加假體和軟組織的接觸面積，利于和軟組織結合。

2.術后恢復及隨訪：術后病理：“胸骨”軟骨肉瘤Ⅱ級侵及鄰近骨組織，切緣未見腫瘤組織。術后3天拔除縱隔引流管，無并發癥發生，7天出院，胸帶固定1周后去除，傷口愈合良好。術后1個月復查胸壁塑形良好，無畸形，未見胸廓不穩定及胸骨浮動等癥狀，X線檢查見假體位置無移位、固定良好，胸部CT三維重建可見胸骨假體與骨性胸廓完美結合(圖5)。術后4個月復查，假體固定牢靠、胸壁穩固無畸形、無異物排斥反應。

圖5 術后1個月X線片及胸部CT三維重建復查結果

討 論

胸壁的大塊骨性缺損可以由胸骨或肋骨因素造成，比如胸骨或肋骨的先天畸形、發育不良、外傷、原發或繼發的腫瘤性病變，在手術治療時都可能造成胸壁大塊缺損。目前國內外的修復重建方法主要有軟組織修復和骨性重建兩種，軟組織修復一般采用游離胸壁肌肉對攏縫合，這種方法穩定性差，容易引起胸壁軟化、反常呼吸及縱隔擺動等并發癥，術后還會因胸壁塌陷影響美觀。因此，大多數學者認為胸壁缺損>6 cm×6 cm需行骨性重建，恢復胸廓的形態功能[2]。修復時一般選擇堅固、理化性質穩定的材料[3]，報道較多的有Marlex?網、骨水泥、Prolene?網、不銹鋼網等[4]。國內報道使用的有鈦網、鈦板、有機玻璃等[5]。但由于材料硬度不足或者不易塑形及裁剪，適形性較差，無法維持胸廓的穩定性或無法避免胸廓畸形，因而僅適用于較小的胸壁缺損修補。

既往的胸壁修復材料在手術中一般需要進一步修整塑形，與病人胸廓只能大概匹配，修復后整形效果較差，均會有或多或少的外觀畸形。3D打印是一種采用可粘合材料逐層構造物體的工程技術，近年來已廣泛地應用于醫學領域，尤其是在術前規劃方面有很大幫助[6]，其具有個性化、精準化的特點，每一個產品都是針對某個個體的[7]。我們使用3D打印技術為病人量身定制個性化鈦合金假體，能使缺損得到個性化精確修復。鈦合金有與骨組織相匹配的硬度和彈性模量，組織相容好、可塑性強、滅菌消毒不變形、不影響CT和MRI檢查等優點[8]。由于假體以病人正常胸廓為模板個性化定制，與正常胸廓的弧度一致，周圍的肋骨殘端和胸骨殘端會更緊密貼合，可有效提高胸廓的穩定性和堅固性。

本研究以病人的CT三維數據為模板定制個性化胸骨假體，3D打印出的替代胸骨與正常胸廓的弧度一致，與切除殘端貼合更緊密，提高了重建胸廓的穩定性，保證了良好的美容效果。本例病人植入假體后，覆蓋以腹直肌轉移肌瓣，完全恢復到正常胸廓外形。術后復查可見胸壁堅實、穩固、外觀良好無畸形，無感染及異物排斥反應。胸部CT三維重建可見鈦合金假體與骨性胸廓固定牢靠，走形自然；隨訪期間，病人正常生活及活動，未發現胸壁變形及假體松動、變形、移動、裂斷等現象。

使用3D打印個體化鈦合金胸骨假體修復胸骨缺損，完成骨性胸廓重建，有以下優點：(1)鈦合金材料強度、彈性均符合骨性胸廓替代原則，可以與周圍骨關節有效固定，保持正常的肺功能，防止術后胸壁浮動及反常呼吸；(2)組織相容性好，異物反應小，不易感染，可長期植入；(3)假體完全根據病人原有胸廓的生理形態設計，植入后胸廓塑形性良好，無畸形。

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(本文編輯:楊澤平)

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 西安交通大學第一附屬醫院胸外科

張廣健，Email：michael8039@163.com

2017-03-08)