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*

张亚 孙允龙 熊伟 方忠 王伟 石志良 李锋

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（total en-bloc spondylectomy，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济医学院附属同济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2015年7 月～2020年6 月华中科技大学同济医学院附属同济医院收治的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。

1.3 3D 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 ～7 mm，高度以椎间高度为标准，并以2 mm 为间隔设计3 个尺寸。内部为孔隙结构，孔隙率为70%～80%，孔径600 ～800 m。人工椎体使用前已通过伦理审查（2018伦审字[S471]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50 mL/24 h 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（visual analogue scale，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7 d 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3 mm 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7 d 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SPSS 17.0 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2检验，其余数据比较采用独立样本t 检验。P＜0.05 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（P＞0.05）。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 ～52 d，平均（38.8±5.7）d；手术时间8 ～17 h，平均（12.6±3.4）h；术中出血量400 ～4500 mL，平均（2114.3±1252.6）mL；常规组住院时间13～55 d，平均（32.8±13.1）d；手术时间7.6 ～15 h，平均（10.9±2.1）h；术中出血量400 ～6600 mL，平均（2628.6±1616.9）mL。组间比较差异均无统计学意义（P＞0.05），见表1。

表1 两组患者住院时间、手术时间和术中出血量的比较（）

表1 两组患者住院时间、手术时间和术中出血量的比较（）

组别 住院时间（d） 手术时间（h） 术中出血量（mL）3D 组 38.8±5.7 12.6±3.4 2114.3±1252.6常规组 32.8±13.1 10.9±2.1 2628.6±1616.9值1.575 1.603 -0.941images/BZ_25_1360_1542_1385_1568.png值0.133 0.121 0.355

两组患者术后VAS 评分均较术前明显降低（P＜0.05），至末次随访时VAS 评分进一步降低（P＜0.05），两组间比较差异无统计学意义（P＞0.05），见表2。

表2 两组患者术前、术后7d 及末次随访时VAS 评分比较（，分）

表2 两组患者术前、术后7d 及末次随访时VAS 评分比较（，分）

注：a 与术前比较＜0.05。

组别 术前 术后7 d 末次随访3D 组 5.1±1.2 2.9±0.6a 0.4±0.5a常规组 5.4±1.7 2.9±0.7a 1.1±1.2a值-0.514 0.000 -1.834images/BZ_25_1360_1912_1385_1938.png值 ＞0.050 ＞0.050 ＞0.050

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（P＞0.05）（见表3）。

末次随访时，3D 组节段高度丢失0.2 ～8 mm，平均（1.9±2.2）mm，节段高度末次随访与术后7 d 相比，差异无统计学意义（P=0.990）。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 ～16.1 mm，平均（6.6±5.5）mm，节段高度末次随访与术后7 d 相比差异无统计学意义（P=0.055）。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（P＜0.050），在角度丢失方面组间比较差异无统计学意义（P=0.571）。

表3 所有患者术前及末次随访时Frankel 分级

表4 两组患者术后7 d 及末次随访时节段高度、高度丢失、沉降率和角度丢失的对比

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7 d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7 d 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7 d 及末次随访时X 光侧位片

3 讨论

3.1 3D 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300 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1.9 mm，明显小于常规组平均6.6 mm；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8 mm 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。

3.2 3D 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。

3.3 3D 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8 mm 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。