本文作者
张亚1孙允龙2熊伟1方忠1王伟3石志良3李锋1*
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作者单位
1华中科技大学同医院骨科，湖北武汉，；2医院脊柱外科中心，山东青岛，；3武汉理工大学机电学院，湖北武汉，
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作者简介
[作者简介]张亚（-）男，博士，住院医师。研究方向：脊柱外科。
*[通信作者]李锋（-）男，博士，主任医师。研究方向：脊柱外科。
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引用信息
张亚,孙允龙,熊伟,等.3D打印个体化人工椎体在胸腰椎肿瘤整块切除后脊柱稳定性重建中的应用[J].生物骨科材料与临床研究,,18(1):17-21,26.
[摘要]目的探索3D打印个体化人工椎体在胸腰椎肿瘤整块切除后脊柱稳定性重建中的临床疗效。方法回顾性分析华中科技大学同医院年7月至年6月收治的接受一期后路全脊椎整块切除术的胸腰椎肿瘤患者28例，分为2组，每组14例。其中3D组使用3D打印个体化人工椎体重建，常规组使用钛笼重建。对比两组的住院时间、手术时间、术中出血量，记录术前、术后7d及末次随访时视觉模拟评分（VAS），Frankel分级情况，测量节段高度及角度，评估临床疗效。结果两组患者住院时间、手术时间、术中出血量和VAS评分比较，差异无统计学意义。共8例患者Frankel评分获得一个等级的改善（28.6%）。3D组椎间高度丢失（1.9±2.2）mm，内植物沉降2例，沉降率14.3%；常规组椎间高度丢失（6.6±5.5）mm，内植物沉降8例，沉降率57.1%；两组比较差异有统计学意义（P0.05）。在节段角度丢失方面组间差异无统计学意义（P=0.）。3D组所有患者内固定良好，常规组1例患者发生断棒情况。结论3D打印人工椎体可以更好地维持节段高度，降低椎间隙塌陷和内固定失败的风险。
[关键词]3D打印；人工椎体；全脊椎整块切除术；内植物下沉
胸腰椎肿瘤是一种危害很大的骨肿瘤，肿瘤组织破坏脊柱骨质，造成生物力学稳定性下降，甚至累及脊髓、神经根等组织结构，致残率较高。全脊椎整块切除术（totalen-blocspondylectomy，TES）保证了安全的肿瘤学边界，是目前公认的可使原发脊柱肿瘤获得长期控制的有效术式[1]。TES术后前方钛笼联合后方内固定植骨是经典重建方式，但是研究表明，钛笼下沉、椎间隙塌陷、钉棒松动断裂等内固定失败情况普遍存在[2-4]，有的甚至造成神经卡压等不良后果，部分患者需要接受返修手术。3D打印个体化人工椎体拥有更大的骨接触面，有助于成骨的多孔结构以及个性化匹配骨缺损结构的优势，近些年已逐步应用于脊柱肿瘤的手术治疗[5-6]，有望成为保证脊柱长期稳定性的新型重建手段。本研究对华中科技大学同医院收治的胸腰椎肿瘤TES手术病例进行回顾性研究，探索该3D打印个体化人工椎体在胸腰椎肿瘤整块切除术后脊柱稳定性重建中的临床疗效。
1资料与方法
1.1一般资料
纳入年7月～年6月华中科技大学同医院收治的28例接受全脊椎整块切除术的胸腰椎肿瘤连续病例，按照椎体间重建方式分为2组，3D组采用3D打印个体化人工椎体重建，常规组采用钛笼重建。
3D组共14例，男10例，女4例；年龄12～69岁，平均43.3岁；病变部位：胸椎8例，腰椎6例；累及节段：单节段12例，三节段2例。原发肿瘤13例：纤维结构骨不良1例，弥漫性大B细胞淋巴瘤1例，骨巨细胞瘤2例，恶性原始神经外胚叶肿瘤2例，血管瘤3例，骨肉瘤4例；转移性肿瘤1例：宫颈癌。随访时间6～27个月，平均18.2个月。
常规组共14例，男8例，女6例，年龄13～63岁，平均45.4岁；病变部位：胸椎10例，腰椎4例；累及节段：单节段13例，双节段1例。原发肿瘤10例：动脉瘤样骨囊肿1例，软骨肉瘤1例，浆细胞骨髓瘤1例，T细胞淋巴瘤1例，血管瘤2例，骨巨细胞瘤2例，假肌源性血管内皮瘤2例；转移性肿瘤4例：乳腺癌1例，神经内分泌肿瘤1例，肺癌2例。随访时间5～36个月，平均15.4个月。
1.2纳入与排除标准
纳入标准：①原发脊柱恶性肿瘤（Ⅰ期、Ⅱ期）；②原发良性侵袭性肿瘤（Ⅲ期）；③预计患者生存时间6个月的孤立性转移病灶；④采用全脊椎整块切除术联合3D打印人工椎体或钛笼重建；⑤病历资料齐全。
排除标准：①原发脊柱恶性肿瘤Ⅲ期患者；②原发脊柱良性肿瘤患者；③全身多处转移的患者；④存在活动性感染或不能耐受手术的其他情况。
1.33D打印个体化人工椎体
所用3D打印个体化人工椎体由湖北嘉一三维高科股份有限公司参与设计，由武汉华科三维科技有限公司使用钛合金（Ti6Al4V）材料打印而成。具体过程为采集患者CT数据，重建脊柱结构，移除病灶椎体，根据模型设计匹配骨缺损的人工椎体，其截面与正常椎体截面相近，前方为弧形凸出，后面略凹陷。上下骨接触面边缘与邻近椎体终板边缘距离为4～7mm，高度以椎间高度为标准，并以2mm为间隔设计3个尺寸。内部为孔隙结构，孔隙率为70%～80%，孔径～μm。人工椎体使用前已通过伦理审查（伦审字[S]号），术前均与患者签署知情同意书获得授权。
1.4手术方法与围术期处理
3D组4例（血管瘤2例、骨巨细胞瘤1例，骨肉瘤1例）和常规组4例（血管瘤2例、动脉瘤样骨囊肿1例，骨髓瘤1例）患者术前行血管介入栓塞治疗，未施行其他可影响出血的治疗手段。两组患者均接受一期后路手术，完整切除病灶椎体，分别使用3D打印人工椎体和钛笼植入，联合后路钉棒重建脊柱稳定性。
术后止痛、抗感染、神经营养治疗。胸椎手术患者若出现呼吸困难及血氧饱和度下降，查床边B超，必要时行胸腔穿刺抽液或胸腔闭式引流。引流量少于50mL/24h后拔除引流管。
1.5观察指标
①住院时间、手术时间、术中出血量；②术前、术后7d及末次随访时视觉模拟评分（visualanaloguescale，VAS）；③采用Frankel分级系统评估术前及末次随访时脊髓神经损害程度；④两组病例中转移癌患者的Tomita评分；⑤测量术后7d及末次随访时的节段高度，即侧位X光片上邻近上位椎体下终板中点至下位椎体上终板中点的距离，节段高度出现3mm以上短缩视为内植物下沉，计算高度丢失量和沉降率；⑥测量术后7d及末次随访时的节段角度，即邻近上位椎体下终板与下位椎体上终板所成的夹角，夹角向前记为正，夹角向后记为负，计算角度丢失量。
1.6统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行统计学分析。计量资料采用均数±标准差表示，所有数据分析前经正态性检验及方差齐性分析。内植物沉降率及Frankel分级的比较采用χ2检验，其余数据比较采用独立样本t检验。P0.05为差异有统计学意义。
2结果
两组患者的性别、年龄、病变节段及随访时间比较，差异无统计学意义（P0.05）。3D组转移癌患者Tomita评分3.0分，常规组转移癌患者Tomita评分2～4分，平均3.0分。所有患者WBB分期均符合TES手术指征。3D组3例患者（21.4%）于术后9～14个月死亡；常规组3例患者（21.4%）于术后11～13个月死亡。两组基线资料具有可比性。
3D组住院时间34～52d，平均（38.8±5.7）d；手术时间8～17h，平均（12.6±3.4）h；术中出血量～mL，平均（.3±.6）mL；常规组住院时间13～55d，平均（32.8±13.1）d；手术时间7.6～15h，平均（10.9±2.1）h；术中出血量～6mL，平均（.6±.9）mL。组间比较差异均无统计学意义（P0.05），见表1。
两组患者术后VAS评分均较术前明显降低（P0.05），至末次随访时VAS评分进一步降低（P0.05），两组间比较差异无统计学意义（P0.05），见表2。
28例患者中共8例患者神经功能获得一个等级的改善（28.6%），其中3D组和常规组各4例。术前患者Frankel分级集中在D级和E级，说明多数患者能够在神经功能损害早期接受手术治疗，仅1例患者突发截瘫后入院，术后神经功能无明显改善。术后早期多数患者的感觉功能可获得改善，并有一定程度的肌力恢复。两组患者术前及末次随访时Frankel评分差异无统计学意义（P0.05）（见表3）。
末次随访时，3D组节段高度丢失0.2～8mm，平均（1.9±2.2）mm，节段高度末次随访与术后7d相比，差异无统计学意义（P=0.）。节段角度丢失0.1°～12.3°，平均5.1°±4.3°；发生内植物沉降2例，沉降率14.3%。常规组节段高度丢失0.7～16.1mm，平均（6.6±5.5）mm，节段高度末次随访与术后7d相比差异无统计学意义（P=0.）。节段角度丢失0.2°～27.8°，平均6.5°±7.4°；发生内植物沉降8例，沉降率57.1%。3D组在术后节段高度、高度丢失及沉降率方面均明显优于常规组（P0.），在角度丢失方面组间比较差异无统计学意义（P=0.）。
复查发现3D组所有患者人工椎体位置良好，无明显移位及旋转，无钉棒断裂及松动情况。常规组2例患者钛笼发生明显下沉旋转，其中1例患者发生断棒情况，后患者接受2次翻修手术，更换钛笼，长节段双棒固定，解除神经压迫，矫正脊柱畸形，术后复查内固定位置良好，康复出院，逐渐恢复正行走。
3D组发生伤口感染1例，脑脊液漏2例，3例患者行胸腔闭式引流。常规组发生伤口感染4例，脑脊液漏3例，1例患者行胸腔闭式引流。1例患者术后下肢肌力明显下降，经康复治疗在随访过程中肌力逐渐恢复。1例患者术中心脏骤停，抢救后转重症监护室治疗，平稳后返回普通病房。
2例肺癌患者和1例乳腺癌患者术后接受靶向药物治疗，1例骨髓瘤患者和1例宫颈癌患者手术切口愈合后接受化疗，4例骨肉瘤患者术后2周接受术区放疗。所有患者每3个月定期行X线和核磁检查观察局部控制情况。至末次随访时6例（21.4%）患者因肿瘤多发转移死亡，其中2例骨肉瘤和1例软骨肉瘤患者术后9～14个月死亡，2例肺癌和1例宫颈癌患者术后11～14个月死亡。22例（78.6%）患者存活，其中1例胸椎恶性原始神经外胚叶肿瘤患者术后13个月发现肺部转移灶，1例骨肉瘤患者术后6个月发现局部复发，均于肿瘤科行放化疗。其余例患者随访期间无肿瘤复发和转移。
典型病例1：患者，男，35岁，L5椎体骨巨细胞瘤，采用腰椎整块切除+个性化3D打印人工椎体重建术（见图1）。
图1腰椎骨巨细胞瘤3D打印个体化人工椎体重建病例：A-F.术前腰椎核磁及CT的冠位、矢位和轴位片；G.3D打印人工椎体；H、I.术后7d腰椎正侧位X光片；J、K.末次随访时腰椎正侧位X光片
典型病例2：患者，女，43岁，T12椎体海绵状血管瘤，采用胸椎整块切除+个性化3D打印人工椎体重建术（见图2）。
图2钛笼重建内固定失败案例：A、B.胸椎转移癌患者术后7d及末次随访时CT矢状位片；C、D.胸椎海绵状血管瘤患者术后7d及末次随访时X光侧位片
3讨论
3.13D打印人工椎体有利于减少内植物沉降率
肿瘤切除、脊髓减压和稳定性重建是全脊椎整块切除的基本要素，由于整个椎节连同韧带及部分肌肉组织被一并切除，前、中、后三柱结构被完全破坏，因而必须进行稳定性重建[7]，重建的目标是达成长期的生物融合。钛笼虽然起到了有效的支撑作用，但是远期可靠性逐渐受到质疑。Chen等[3]对例颈椎钛笼重建病例进行随访发现，钛笼沉降是普遍现象，且与术后并发症相关。Yoshioka等[8]的研究发现，胸腰椎长节段全脊椎切除术后极易发生内固定失败，因钛笼下沉使得椎间隙塌陷，节段角度难以维持，生物稳定性丢失，导致钉棒应力集中，断裂风险大大增加。Park等[9]的研究发现，围手术期放疗是术后钉棒断裂的独立危险因素，放疗影响骨量和骨融合，给脊柱稳定性造成负面影响[10]。3D打印人工椎体有较大的骨接触面，避免了应力集中，有助于减少椎间隙塌陷。在本研究中，末次随访时3D组椎间高度丢失平均为1.9mm，明显小于常规组平均6.6mm；内植物下沉3D组为2例，常规组为8例，差异显著；说明3D打印人工椎体能更有效地维持椎间高度。在常规组塌陷明显的案例中，钛笼有不同程度的旋转，其中1例节段角度改变多达27.8°，并发生断棒现象。而在3D组节段高度丢失最大为8mm的案例中，节段角度丢失仅为3.4°。虽然角度丢失量组间差异无统计学意义，有理由推测当病例数足够多时可能得出骨接触面的大小与内植物的旋转移位及钉棒断裂有直接关系的统计学结论。由于钛笼骨接触面较小，脊柱力线容易偏离骨接触面，在应力的持续作用下会对内植物产生翻转作用，形成夹角，不利于骨融合，进而造成内固定失败。而人工椎体骨接触面较大，力线始终经过椎体以面面接触的形式传导，因此笔者仅观察到节段高度的微小丢失，并未对稳定性造成实质影响。
3.23D打印人工椎体有助于促进成骨
生物性融合是脊柱重建保持远期稳定性的关键，3D打印人工椎体内部的多孔结构有利于组织液流动，促进骨细胞迁移和增殖，70%～80%的孔隙率是骨长入的最佳结构。其表面复杂的微观粗糙结构，有利于募集抗炎因子，促进成骨细胞分化，培育了有利于骨形成的特殊细胞环境[11-12]。McGilvray等[13]在绵羊腰椎体外融合实验中发现，多孔钛合金椎体相较于PEEK材料，在骨长入量上更加优异。钛合金Cage应用于颈椎前路手术也被证明有更好的骨融合率[14]。在3D组患者的CT复查片中可以看到上下骨接触面有骨小梁结构长入，在孔隙内实现交联锁定，有较好的骨整合能力。3.33D打印人工椎体有个体化匹配的优势
3D打印能够实现自由成型，与医学数字技术相结合就能进行私人订制，制造出专属于个人的最优椎体结构，使一些复杂骨缺损手术得以完成。手术切除的节段数量、节段高度、是否后凸畸形、是否保留部分椎体结构等是因人而异的，内固定钛笼不能单独适配，由此带来的内植物沉降、移位甚至失败多有发生。尤其在结构复杂的胸腰段，个体化设计的人工椎体更能有效地传导脊柱应力。与传统模块化人工椎体相比，如可调高度的人工椎体，3D打印椎体长度是根据术前CT数据并参考医生手术方案制定的，可精准匹配骨缺损，并可设置自稳钉道或侧方固定装置，连接邻近椎体或后方钉棒，稳定性更好。与带自稳装置的框架式人工椎体等相比，3D打印人工椎体自稳装置更加个性化，利于不同患者的术中操作[15]。其骨接触面为粗糙仿骨小梁孔隙结构，而非可嵌入骨面的刺突样装置，减少了人工椎体下沉。本研究3D组中，1例腰椎L1-3三节段整块切除的患者使用人工椎体重建，除骨接触面较大外，外形设计更符合矢状位腰椎前凸弧线，有利于应力传导，同时在椎体侧方设置有钉孔，可通过骨水泥和后路椎弓根螺钉连接固定，更符合三柱的理念。在2年多的随访中，虽然发生了8mm的节段高度丢失，但是节段角度良好，稳定性可靠，患者可正常行走。在上颈椎及骶尾部等异形骨缺损区，3D打印人工椎体更能发挥其个性化重建的优势。Mobbs等[16]采用个体化人工椎体进行重建C2，术后9个月随访时假体无松动移位。Doyoung等[17]通过3D打印假体实现精准半骶骨重建，术后1年时假体位置良好，与周围骨质发生骨整合。本研究表明，3D打印个体化人工椎体重建胸腰椎肿瘤整块切除后脊柱稳定性相比传统钛笼可以更好地维持节段高度，拥有更小的沉降率，其多孔结构和粗糙骨接触面更有利于成骨，而且具备个性化定制的优势。在病例积累和长期随访方面本研究仍有不足，尚需继续探索，为提高脊柱肿瘤的治疗疗效而努力。参考文献
[1]KatoS,MurakamiH,DemuraS,etal.Morethan10-yearfollow-upaftertotalenblocspondylectomyforspinaltumors[J].AnnSurgOncol,,21(4):-.
[2]YoshiokaK,MurakamiH,DemuraS,etal.Clinicalout