来源：《生物骨科材料与临床研究》

作者：高倚天 刘冰川 周方 郑玉峰 温鹏 田耘

骨缺损是指骨骼正常结构或骨量的减少或缺失，可由严重创伤、肿瘤切除、感染灶清除、畸形矫正及翻修手术引起。未经有效治疗的骨缺损可发展为骨不愈合及肢体畸形，对患者的日常生活与工作产生极大影响，增加家庭与社会的经济负担，部分患者最终不得不接受截肢手术。

相比于发生在其他部位的骨缺损，累及上肢关节面的围关节骨缺损的临床治疗更加棘手，其难点包括：

①关节面软骨难以再生重建；

②在重建时不仅要考虑修复正常的骨软骨解剖结构，还需尽量恢复关节活动功能；

③关节区部位特殊，诸多传统骨缺损治疗方法难以应用，使可供选择的临床治疗手段更加局限。

应用3D打印假体植入直接修复骨缺损的治疗方法已在临床逐渐获得接受与推广。其优势在于假体植入物的形态结构可定制化设计以匹配宿主骨缺损，并能够实现生物力学稳定及患者早期负重锻炼，在很多复杂难治性骨缺损的修复中获得了临床应用。然而关于应用3D打印假体治疗上肢围关节骨缺损的研究仅限于个案病例报道和较少的病例汇总，目前尚无相关系统综述报道。

本研究根据文献报道及自身的临床经验对3D打印假体在上肢围关节骨缺损中的临床研究与应用进展进行综述，总结现有的3D打印假体种类，以及假体在肩、肘、腕等上肢大关节和手部小关节骨缺损修复中的临床应用范围及疗效，旨在明确这一技术的发展现状并把握其未来发展方向，为广大骨科医师的临床与科研工作提供参考依据。

根据不同病因、不同部位、不同形态结构的四肢骨缺损，3D打印假体的设计思路及内固定方式存在个性化差异，在临床抉择前需进行综合评估。现有用于上肢骨缺损修复的3D打印假体依据形态可分为非多孔结构、全多孔结构、部分多孔结构、框架结构、笼架结构及铰链结构，其结构特点、植骨要求、固定方式、骨长入难易程度及常见的临床应用范围详见表1。

肿瘤、感染、创伤、无菌性坏死、畸形及关节翻修等是临床实践中较常见的导致骨缺损的病因。作为针对上述疾病的治疗手段，植入假体重建缺损进行方案设计时需考量的基本内容包括假体的抗腐蚀性、生物相容性、骨整合性、稳定性及生物力学特性。现有研究展现3D打印假体可通过个性化设计获得不同特性，适应各个疾病的治疗需求，并解决传统假体的局限性，从而达到更加良好的治疗效果（见表2）。

本文将以骨肿瘤、骨感染、骨创伤及骨坏死等发病率相对较高、临床报道较为丰富的四类疾病为角度，对3D打印假体在不同上肢围关节骨缺损修复中的临床研究与应用进行综述分析。

1、3D打印假体在骨肿瘤中的应用：

针对上肢原发于关节周围的恶性肿瘤，手术切除仍然是主要的治疗方法。而对于肿瘤切除后遗留的大范围骨缺损，可选择的重建方法包括关节融合术、异体骨移植、内植物重建和同种异体骨联合人工假体复合物等。尽管内植物重建是目前较普遍的治疗方法，但传统内植物重建术后存在假体松动、感染、假体周围骨折和翻修等一系列的问题。使用3D打印技术定制生产的假体不仅可以与患者肩关节复杂解剖结构精确适配，还可以针对解剖特点个体化设计肌腱止点，以减少关节不稳定及脱位的发生。

在治疗肩关节周围原发骨肉瘤方面，Jovičić等报道了4例累及肱骨近端骨肿瘤的病例，在保证肿瘤完整切除的同时应用3D打印非多孔假体完成了解剖学重建，恢复了部分肩关节功能，术中3D打印假体的使用明显缩短手术时间、减少出血量并缩小切口尺寸，提升了患者的术后生活质量。

然而，非多孔假体的设计策略限制了假体与宿主之间的骨整合，减弱了假体获得长期稳定性的能力，易导致术后无菌性松动和移位的发生，因此该设计策略更加适合无需骨整合的临床场景，如对于累及关节面的大节段骨缺损进行全骨置换。对此，Fan等报道了应用3D打印非多孔假体重建锁骨和肩胛骨尤文氏肉瘤整块切除后大范围骨缺损的病例，术后患者未发生肢体短缩、螺钉松动和移植物断裂等并发症，2例患者分别获得了93%和73%的MSTS评分。值得注意的是，上述案例报道皆局限于术后2年之内，限制了其对于远期并发症（如青少年保肢治疗术后肢体短缩）等问题的评估。因此，相关患者上肢的远期外观和功能的恢复效果还需要更长期的观察研究明确。

肱骨、尺骨与桡骨也是上肢恶性肿瘤的常见累及部位，肿瘤完整切除的需求与肘关节功能保留的需求是临床实践中医师常面临的艰难抉择，现有临床证据表明3D打印技术有望为这一临床问题的妥善解决提供合理方案。Ackmann等率先报道了使用3D打印假体为上肢全肱骨及全尺骨切除的骨肿瘤患者进行骨缺损重建，研究者在非多孔假体表面预设孔洞为肌腱及关节周围软组织提供缝合位点以实现假体的稳定固定，术后3年两例患者的患侧肢体功能良好，可完成日常活动。

腕关节附近是骨巨细胞瘤第三常见的原发部位，约10%的骨巨细胞瘤发生于此。如何保留关节稳定性并最大程度恢复关节功能是肿瘤切除术后常见的问题。对此，Lu等使用3D打印假体为11例桡骨远端骨巨细胞瘤切除的患者进行骨重建，考虑到因关节活动而产生的滑动和摩擦，假体采用非多孔铝合金作为主体材质，并使用聚乙烯作为关节面内衬，从而在保肢治疗手术中最大程度地保留患者的关节结构，结果显示患者术后的关节功能良好，无复发及转移发生。此外，假体植入后的松动及关节脱位是常见的术后并发症，而假体与周围组织结构的长期稳定是保证术后远期疗效的重要前提。

事实证明，假体与周围组织结构间长期稳定性的维持可以通过对于假体的结构和表面材质进行合理设计而达到。Wang等在30例桡骨远端骨巨细胞瘤患者群体中对比同种异体骨移植与3D打印假体重建骨缺损的治疗效果，研究者采用非多孔假体的设计策略，在假体—骨接触面使用羟基磷灰石涂层进行修饰，并在假体表面保留空洞进行软组织固定，研究结果显示使用假体进行重建可以减少关节退变及关节脱位的发生率，更好地保留腕关节功能。上述研究结果表明，经过个体化设计的3D打印假体可以最大程度减少关节松脱及假体松动的发生，在术后短期内获得良好的稳定性，这是其他治疗手段难以获得的优势。

除上述大关节外，也有学者进行了3D打印假体在上肢小关节中的探索研究与应用。Beltrami等曾报道对指骨巨细胞瘤复发患者行完整切除术，并使用3D打印非多孔指骨假体进行重建，术后2年随访显示患者无复发及疼痛，几乎完全保留了术前的关节活动范围，为累及上肢小关节的骨肿瘤提供了完整切除及解剖学重建的治疗方案。

2、3D打印假体在骨感染中的应用：

骨感染也是引起骨缺损的常见原因之一，充分的引流与清除坏死骨是控制感染、防止复发的常规手段。对于截骨术后遗留的骨缺损，3D打印假体进行二期重建手术是可选的治疗方法，解决骨髓炎引起的骨缺损形态多样，常规假体难以适应的问题，达到控制感染并提供关节稳定性的目的。

Chen等报道1例锁骨慢性骨髓炎的患者，经保守治疗无效后使用3D打印聚醚醚酮假体对锁骨次全切除术后遗留的骨缺损进行重建，患者疼痛在术后1个月内有效缓解，术后6个月随访显示肩关节功能恢复，Constant-Murley评分达88分，术后2年的随访结果显示肩关节外观及功能与正常无异，感染未再次复发，表明3D打印假体在允许外科医生最大程度控制感染的同时，还可以极大程度地满足患者的功能和外观需求。

特别在化脓性骨髓炎的分期手术治疗中，一期截骨术后控制感染并防止肢体短缩是治疗的关键要点，目前已有学者开创性地使用3D打印技术辅助制备抗生素加载的骨水泥占位器，用于永久内植物植入前的过渡期治疗。针对1例创伤性距骨丢失后继发关节内感染的患者，Chiu等利用3D打印技术成功制备了符合患者距骨解剖学的骨水泥占位器，植入后患者的踝关节感染得到明显控制，患者术前的关节不稳定也得到解决，该占位器为患者提供了15°的屈伸活动范围，使得患者能够部分负重行走，优于常规骨水泥占位器。

事实上，3D打印技术辅助制备的骨水泥占位器后续也在膝关节置换术后的假体周围感染处理中得到应用并获得了良好的治疗效果，然而由于发病率较低等原因，目前尚未见3D打印技术辅助制备的骨水泥占位器在上肢骨缺损中的相关报道。鉴于上肢更低的关节力学负荷和更高的活动范围需求，笔者推测3D打印辅助制备的抗生素加载的骨水泥占位器有望在上肢骨感染致骨缺损的过渡期治疗中获得更加满意的临床治疗效果，具有广阔的临床研究前景。

此外，笔者团队已积累了大量应用3D打印多孔钛合金假体修复累及肩、肘及腕关节周围骨髓炎导致大节段骨缺损病例的成功经验。在一项已发表的报道中，笔者团队应用3D打印部分多孔异形假体重建了因骨髓炎造成的肱骨远端缺损，缺损长度达11.2cm，假体的设计与制造采用“假体+髓内针+侧翼”的一体化打印设计，增加了假体的固定稳定性，在术后14个月的随访中，患者的肘关节屈伸功能恢复良好，DASH评分为31.7分，可满足日常生活需求。

假体—骨接触面采用多孔结构的设计策略，使其弹性模量接近松质骨，避免了应力屏蔽效应，保证了假体周围骨组织结构的持续应力刺激，防止骨密度下降及骨质疏松的发生。另一方面，多孔结构也有利于新生骨痂的长入，形成“生物锚定”，从而获得更好的长期生物学稳定性。因此，即使在累及关节的大节段骨缺损治疗中，多孔或部分多孔3D打印假体同样可以达到稳固的固定及良好的功能恢复。

3、3D打印假体在骨创伤中的应用：

高能量创伤可造成骨关节面的严重破坏，部分情况下关节面骨块将难以实现复位及固定，此时则需要外源性植入物辅助进行骨关节重建。常规的关节置换假体植入后的稳定性有赖于周围骨质及软组织的力学支撑，导致其无法被应用于某些合并严重骨缺损的特殊病例。3D打印假体可个性化设计的特点可以适应各种类型的骨缺损，还可以通过多孔结构实现良好的生物学整合，为假体提供长期的稳定性。

Luenam等报道1例因大节段骨缺损而无法进行常规关节置换的肱骨远端严重开放性骨折病例，借助个性化3D打印框架假体并联合自体骨移植，作者在直接修复关节骨质缺损的同时对撕裂的肱骨外侧副韧带复合体进行重建，术后2年的随访结果显示患侧肘关节屈伸范围达-15°～150°，握持力为健侧的105.7%，影像学结果展现了良好的骨整合及正常的桡尺和肱尺关节间隙。借助3D技术的围关节骨缺损—体重建策略避免了传统假体与骨缺损不匹配所导致的医源性骨缺损，并在实现长期生物学稳定性的同时最大程度地保留了关节功能，防止远期关节炎的产生。

创伤后骨折内固定治疗失败也是常见的临床问题，原始内固定的拆除会带来较大范围的骨缺损，为翻修手术带来困难。当骨缺损范围过大时，常规的关节翻修术因缺少匹配缺损部位的假体而无法进行。对此，Wu等提出应用3D打印个性化铰链假体行肱骨远端粉碎性骨折内固定失败的翻修，定制式铰链结构假体成功重建患者肘关节解剖结构，提供生理屈伸功能，并在骨料不足的情况下重建了关节周围的骨缺损，防止肢体短缩的发生，术后3年随访显示患者可以进行日常活动，无疼痛及并发症发生。

除上述发生于上肢大关节的创伤源性骨缺损外，3D打印假体也在手部小关节周围骨缺损的治疗中得到应用。Keller等在骨料不足的情况下使用3D打印技术为1例因链锯事故而丢失大段近节指骨的患者设计制作假体，进行骨缺损重建及指间关节置换，使用钛合金部分多孔假体表面设有多孔涂层，在术后实现良好骨整合，随访结果显示患者近端指间关节的活动范围从术前20°提高到术后60°，保证了患者精细动作的完成，使患者的生活质量获得极大提升。

4、3D打印假体在骨坏死中的应用：

上肢骨无菌性坏死罕见，好发于月骨。潜在病因包括增龄、血供缺乏、创伤、月骨形状异常等。该疾病会导致腕关节背侧疼痛肿胀、活动范围下降及握持力减低，对于保守治疗无效的患者常需手术治疗，术后遗留骨缺损的处理仍缺少公认的治疗方法。假体植入是重建月骨缺损的可行方法之一，但传统内植物因存在不匹配和植入后松动的问题而未得到普及。

为解决上述问题，Xie等创新性地使用3D打印技术进行个性化假体设计与制造，治疗1例LichtmanⅢc期月骨缺血性坏死的患者，3D打印假体克服了传统假体形状与骨缺损不匹配的问题，术中发现假体与周围软组织及相邻骨结构匹配度高，在为周围结构提供支持的前提下也保证了假体的自身稳定性，这使得术后即刻的功能训练成为可能，减少了术后关节僵硬的发生，该例患者经治疗后12个月内恢复了几乎全部关节活动度。由此可见，3D打印假体在用于修复诸如腕骨一类的形态复杂的短骨及不规则骨时可体现出传统假体难以比拟的优势。

Ma等利用3D打印解剖型月骨假体治疗5例LichtmanⅢ至Ⅳ期的Kienbock病患者，术后患者的疼痛症状消失，腕关节功能获得明显改善，屈伸角度从术前的40°±10.6°提升至术后51°±6.5°，伸展角度从术前44°±9.6°提升至术后60°±3.5°，末次随访显示5例患者平均改良Mayo评分为（79±7.4）分，表明患者术后的疼痛、功能状态、活动范围及握持力均获得明显改善。此外，通过术前模拟可以预测患者的假体尺寸，更好地适应术中实际操作时的需求，增加植入假体与患者缺损部位周围组织的契合度，提示3D打印技术用于术前模拟可以使患者获得更加个性化的治疗，有望用于“精准医学”的建设。

3D打印作为一项新兴的技术，可以通过生产制造个性化内植物，为复杂围关节骨缺损的修复提供新的治疗选择。在本文所综述的临床案例中，3D打印假体因具有形态多样、适配精确、稳定性良好等优点，在因创伤、肿瘤、感染、缺血性坏死等各类病因导致的围关节骨缺损的治疗中取得了良好的治疗效果，实现了较为满意的关节功能恢复。相比于传统假体，3D打印假体在保证肿瘤切除，保留关节功能，重建解剖学特征，控制感染，支持早期功能锻炼，提供长期稳定性及减少术后假体相关并发症等方面都体现出更加优越的特性。

然而3D打印技术依旧存在诸多亟需解决的问题，包括：

①内植物的设计和生产周期较长，目前只适用于治疗周期相对长的疾病，同时也会延长患者的等待时间，增加患者的住院花费；

②内植物生产成本较高，难以在目前的临床实践中广泛普及；

③3D打印技术临床应用的成功依赖于完整、协调和专业的团队，对医工结合提出了更高的要求；

④3D打印内植物的生产技术仍在发展初期，有关3D打印内植物的参数设定及材料选取等仍然缺少统一的共识和标准，有待进一步探索；

⑤目前现存的研究多为随访时间较短的病例报告，证据等级较低，还需更长期的随访研究和大宗临床研究明确3D打印内植物的临床应用价值。

针对上述技术存在的局限性，笔者提出未来3D打印技术发展的潜在突破点：

①生物3D打印技术，通过整合材料、细胞及生物因子等，赋予内植物生物活性，相比于传统3D打印内植物将拥有更好的生物相容性和生物可降解性，有望更好地促进成骨、改善愈合效果；

②加强多学科团队建设，促进临床、影像、工程学和材料学等学科的沟通交流，优化内植物的生产方式和生产工艺，并对材料的物理化学特性进行进一步的改进，有望缩短产品的生产时间，减少生产成本并进一步提高产品的性能；

③完善相关监管策略，3D打印作为较为一门较为新型的技术，其个性化的特点为质量监管、安全性及有效性的评估带来困难。完善对于3D打印技术的注册与监管标准，规范化3D打印内植物的应用的技术路线将有助于增加该技术的可及性，加速相关科研成果的临床转化。

总之，现有的临床研究结果展现了3D打印内植物在治疗上肢围关节骨缺损良好治疗效果。3D打印技术有望在未来成为解决围关节骨缺损重建难题的理想手段，亟需更进一步的开发与研究。

文献原文：高倚天,刘冰川,周方,等.3D打印假体在上肢围关节骨缺损治疗中的研究进展[J].生物骨科材料与临床研究,2024,21(02):65-70+76.

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