3D打印輔助Masquelet膜誘導技術治療跟骨骨缺損的療效研究

張來福，盧承印，王孝輝，郭紹勇，張海龍，呂亞慶

1.河南省洛陽正骨醫院(河南省骨科醫院)，河南 洛陽 471002；2.河南中醫藥大學，鄭州 450046

跟骨是承載足部穩定及功能的重要結構。臨床中，跟骨骨缺損多由創傷、感染等因素導致，常合并皮膚缺損，治療中存在手術創傷大、周期長、骨折部位愈合困難、并發癥多等問題。目前常用的治療手段包括帶血管的自體骨(或肌皮瓣)移植技術、Ilizarov骨搬移技術、Masquelet膜誘導技術等。帶血管的骨(或肌皮瓣)移植技術能一次性修復骨缺損，具有骨愈合快的優勢[1]，但要求手術醫師熟練掌握顯微外科技術限制了該技術的應用[2]。Ilizarov骨搬移技術適應證廣泛，但治療周期與骨缺損大小呈正相關，存在護理難度大，容易發生釘道感染、固定松動、關節黏連僵硬、神經損傷等諸多問題[3-4]。

Masquelet膜誘導技術適應證廣泛、操作相對簡便、治療周期不受缺損大小的限制[5]。然而，其操作中也存在一些問題：(1)合適的骨水泥填充物大小較難把控，若誘導膜形成過小會使移植骨形成的骨連接過小，影響骨修復[6]；(2)在二期手術時填充的骨水泥取出較困難，且取出骨水泥時易損傷誘導膜，導致術后可能再次感染[7]。3D打印技術根據CT掃描健側和患側的結果對比，提供高質量射線成像數據，利用計算機技術輔助設計、制造，通過“層層疊加，層積成型”的方式，可以快速精確地直接生成所需要的任何結構目標模型[8]。近些年，3D打印技術在臨床中應用越來越廣泛，并取得了滿意的效果，為跟骨骨缺損重建帶來新的思路[9]。因此，本研究回顧性分析2018年1月—2019年4月河南省洛陽正骨醫院(河南省骨科醫院)接受3D打印技術結合Masquelet膜誘導技術治療的跟骨骨缺損患者4例的療效。

臨床資料

1 一般資料

納入標準：(1)創傷導致跟骨骨缺損；(2)接受皮瓣轉移修復軟組織缺損，3D打印技術結合Masquelet膜誘導技術治療跟骨骨缺損。排除標準：(1)年齡<15歲或>60歲；(2)足部手術史；(3)先天性足踝畸形及既往損傷導致足踝畸形。

本組跟骨骨缺損患者4例，男性2例，女性2例；年齡22～52歲，平均36.0歲。道路交通傷2例，高處墜落傷1例，擠壓傷1例。骨缺損分別為4cm×3cm×3cm、4cm×2cm×2cm、3cm×3cm×2cm、3cm×2cm×1cm；合并皮膚缺損分別為12cm×7cm、10cm×6cm、9cm×5cm、7cm×6cm。其中感染性骨缺損3例(大腸埃希氏菌2例，銅綠假單胞菌1例)。

2 3D打印個性化骨水泥塑型器模塊的制備

應用64排螺旋CT(西門子公司，德國)掃描骨缺損區及對應健側，層厚1.0mm，醫學數字成像和通信標準(digital imaging and communications in medicine,DICOM)格式保存數據，利用Mimics軟件將數據三維重建(圖1a)。健側作為模板，將缺損處虛擬鏡像還原，將缺損區數據擬合對位健側數據，確定解剖標志點，以清創正常骨組織5mm為截骨平面，設計骨水泥植入物數字模型，立體光刻 (Stereolithographic,STL)格式保存。導入3-Matic軟件，從截骨面起始，設計能將模型包裹模具，利用布爾計算工具得到骨水泥塑型器模具內腔數據(圖1b)。以模具能順利脫開為原則將模具根據需要分為多個模塊，將模塊數據導入3D打印機，填充率50%、層厚0.1mm，利用聚乳酸材料打印，消毒備用(圖1c)。

圖1 術前模型設計。a.3D打印患側與健側模型；b.塑型器模具設計；c.3D打印塑型器模具

3 手術方法

第一階段：患者側臥位或平臥位，選擇腰硬聯合麻醉或全身麻醉，在止血帶控制下手術。逐層切開皮膚及皮下組織，充分顯露缺損區；徹底擴創至正常軟組織，清除死骨、硬化骨至預定截骨面，觀察是否有新鮮血液滲出(圖2a)。對于感染性患者，取標本培養進行藥敏試驗，創面需過氧化氫溶液-生理鹽水反復沖洗，碘伏浸泡后生理鹽水沖洗。按比例充分混勻抗生素(通常為萬古霉素)與骨水泥粉末，將半凝固狀態的抗生素骨水泥填充塑型器模塊，待抗生素骨水泥完全凝固后拆除(圖2b)。將塑型凝固的抗生素骨水泥分塊植入骨缺損處，緊密貼合后使用內(外)固定裝置固定。缺損區采用局部皮瓣轉位或游離股前外側皮瓣修復(圖2c)。隨后生理鹽水徹底沖洗術區，放置負壓引流，分層縫合切口。

圖2 a.清創至截骨面，看到新鮮血液滲出；b.塑型器模具將骨水泥塑型凝固；c.小腿外側皮瓣修復足部皮膚缺損

第二階段：固定8～14周后，患者側臥位或臥位，選擇腰硬聯合麻醉或全身麻醉，在止血帶控制下手術。取原手術切口逐層切開皮膚皮下，顯露骨缺損處。切開骨水泥表面類骨膜物質，完整取出抗生素骨水泥；清除周圍硬化區，促進血液流通。取適量髂骨修剪成顆粒狀植入骨缺損誘導膜內，壓實填塞骨缺損空腔后縫合誘導膜。隨后生理鹽水徹底沖洗術區后逐層縫合切口。

4 術后處理

第一階段術后制動，抬高患肢，罌粟堿預防血管痙攣，術后72h內每2h觀察皮瓣血運1次；48h后拔除引流管，并指導患者主動進行足趾活動。根據藥敏結果使用抗生素，感染性骨缺損可延長用藥時間。術后2～3周，皮瓣愈合后可部分負重活動。第二階段術后24h內每2h觀察皮瓣血運1次，術后48h拔除引流管。常規抗感染、消腫、止痛等治療，預防深靜脈血栓形成。囑患者于術后1、2、3、6、12個月定期復查。術后3個月禁止負重，3個月后根據骨痂形成情況進行逐漸負重活動。負重活動期間并用軟鞋墊緩沖皮瓣受到的壓力。

5 療效指標評價

采用Maryland足部評分評價足部功能。包括疼痛、功能兩部分，滿分為100分；其中優：90～100分；良：75～89分；可：50～74分；差：<50分。采用美國足踝外科協會(American Orthopaedic Foot and Ankle Society，AOFAS)評分評價踝關節功能。包括疼痛、功能、步態、穩定性等方面評估，其中優：90～100分；良：75～89分；可：50～74分；差：<50分。

6 統計學分析

結 果

本研究4例患者手術均由同一手術團隊完成。第一階段：手術時間為120～200min，平均155.0min；出血量300～700mL，平均450.0mL；將骨水泥植入骨缺損區時，經過塑型器體外塑型的骨水泥與骨斷端匹配度高，能完整地填充骨缺損區，無需再次對骨水泥進行調整。

第一階段手術術中取多點組織行細菌培養，結果顯示大腸埃希氏菌2例，銅綠假單胞菌1例。4例患者清創后見跟骨骨缺損未累及跟距關節和跟骰關節。術后1例出現傷口滲出情況，加強換藥后情況改善，其余傷口愈合良好，皮瓣均成活，深部骨缺損區未出現感染情況。第二階段距第一階段手術8～14周，平均11.5周；手術時間為90～160min，平均120.0min；出血量200～400mL，平均312.5mL；術中觀察誘導膜完整，大小合適；骨水泥能順利取出，未出現取出困難和明顯損傷誘導膜的情況。術后傷口愈合良好，無深部血栓形成?；颊呔@隨訪，隨訪時間10～18個月，平均14.0個月，隨訪期間足跟皮瓣無一例發生壞死或破潰。患者植骨均愈合，骨折愈合良好：X線片示骨缺損處有連續性骨痂生成，無死骨，骨的連續性、完整性可。臨床愈合時間3～6個月，平均4.0個月。本組患者術后12～16周(平均14.0周)可部分負重，術后9～15個月(平均13.0個月)完全負重行走。末次隨訪時Maryland足部評分88～98分，平均94.0分,其中優3例，良1例,與健側相比,差異無統計學意義(P>0.05)。AOFAS評分86～98分，平均92.8分，優3例，良1例，與健側相比差異無統計學意義(P>0.05)。見表1。典型病例見圖3。

表1 患者兩側術后末次隨訪評分比較分)

圖3 患者男性，40歲，交通事故致左足跟骨及跟部皮膚缺損。a.術前X線片；b.植入骨水泥后X線片；c.植骨后X線片；d.術后 12個月末次隨訪 X線片

討 論

本組4例患者術前通過3D打印鏡像技術打印出患側與健側模型，通過影像學資料及CT掃描數據確定截骨面，為3D打印患側缺損提供數據參數。根據患側跟骨骨缺損的形狀及大小，確定需要植入骨水泥的形狀及大小，利用3D打印制作出塑型模具。通過控制植入骨水泥來把控形成誘導膜的質量和大小。第一階段手術通過皮瓣轉移修復足部皮膚缺損，為Masquelet膜誘導技術的應用提供條件。Morelli等[10]在Meta分析中闡述軟組織重建對于Masquelet膜誘導技術的重要性。徹底清創跟骨骨缺損至術前確定的截骨面，新鮮血液滲出，將通過模具塑型的骨水泥分塊置入骨缺損區，發現骨水泥與骨缺損部位具有較高的匹配度，無需再對骨水泥的形狀、大小進行調整。第二階段手術中證實，形成的誘導膜大小合適，可以分塊取出骨水泥，未對誘導膜造成明顯的損傷，在植骨3個月內避免負重，跟骨骨質愈合后可逐漸負重。4例患者植骨愈合，正常行走后逐步出現跟骨骨小梁化，實現了跟骨骨質的重建。AOFAS評分顯示優3例，良1例，也證實了跟骨生理功能的重建。術后隨訪未出現皮瓣壞死或破潰的情況，主要原因是術后3個月的制動，既避免植入小骨塊易受壓變形，影響塑型足弓維持進而影響功能，又避免小骨塊對皮瓣造成不同程度壓力，破壞皮瓣的成活與完整性；其次軟鞋墊緩沖了皮瓣在逐漸負重后所承受的壓力。

傳統的Masquelet膜誘導技術在骨水泥填塞中具有一定的盲目性。傳統的體內成型在骨水泥凝固前將其填充骨缺損部位，并且包裹骨折斷端，使其自然凝固。該凝固方式在第二階段手術時發現，骨水泥與骨斷端連接牢固，同時骨水泥為一較大整體，在取出時易損傷誘導膜及骨水泥-骨界面骨組織，在二期植骨中影響骨折愈合；骨水泥凝固過程中釋放的熱量，也會損傷鄰近骨及組織。為克服骨水泥體內成型的缺陷，部分學者曾將骨水泥進行體外塑型，取得一定的效果[11]。但骨缺損的類型多樣，骨缺損信息在影像學資料下難以全面、準確地反映，骨水泥植入物的大小、形狀與醫師個人經驗有關。因此抗生素骨水泥的植入是該技術的關鍵環節之一。

Simpson等[12]認為在對骨缺損區清創時，為確保治療效果，通常需要清創超過正常骨組織5mm。這為在術前確定需要清創的截骨面，從而確定骨缺損區的形狀及大小提供了理論依據,也為3D打印技術的應用提供理論支撐。本研究利用3D打印技術將跟骨骨缺損區進行三維重建，根據跟骨骨缺損區打印出骨水泥塑型器。通過體外塑型的方式，解決骨水泥體內塑型對骨與軟組織的熱損傷，避免骨水泥與骨斷端連接過牢；多模塊的設計同樣避免了大塊骨水泥取出困難、容易損傷誘導膜的問題，進而保證了形成誘導膜的質量；其次骨水泥與跟骨外形、大小保持高度的一致，既符合缺損區生物力學傳導，又能保證形成大小合適的誘導膜；最后骨水泥的制作不再受到醫師經驗的影響，也會減少骨水泥在填充過程中形成氣泡和分層現象。

因此3D打印技術結合Masquelet膜誘導技術治療跟骨骨缺損能保證形成誘導膜的質量和大小，具有簡潔高效的技術優勢和生物力學優勢。在術后末次隨訪中，患者未訴有疼痛癥狀，并且功能恢復良好，這些均與形成高質量的誘導膜相關。

本研究局限性:(1)由于跟骨骨缺損合并軟組織缺損的發病率不高，造成本研究的樣本量較小，需要擴大樣本量繼續觀察臨床療效，分析在操作中可能出現的其他問題；(2)缺乏對照比較，需要與傳統帶血管移植或骨搬移技術進行對比，客觀分析3D打印結合Masquelet膜誘導技術治療跟骨骨缺損的臨床療效；(3)由于術中情況多變，會存在已塑型骨水泥與骨缺損不匹配的情況，此時需要對骨水泥模型進行適當調整；(4)患者可能存在韌帶及足部其他組織損傷，影響治療效果，待進一步解決。

總之，本研究為跟骨骨缺損的治療提供了新的思路和方法，皮瓣轉移修復軟組織缺損，3D打印結合Masquelet膜誘導技術治療跟骨骨缺損術后療效滿意。