引用本文： 張衡, 馬曉東, 李博聞, 李寬新, 劉揚, 周建生, 陶鈞. 3D打印定制假體及其在髖關節翻修髖臼重建應用中的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2024, 38(11): 1414-1420. doi: 10.7507/1002-1892.202406002 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《中國修復重建外科雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
人工全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）是治療終末期髖關節疾病的有效方法，可緩解疼痛并恢復髖關節功能[1]。隨著人口老齡化加劇，初次THA手術量呈持續增長趨勢，髖關節翻修數量也相應增加。與初次THA相比，髖關節翻修術常面臨復雜的骨缺損和大量軟組織瘢痕的問題，尤其是髖臼側，手術操作復雜、手術時間長、術中出血多、術后并發癥多，而且手術效果遠不如初次THA。髖關節翻修術中，如何實現髖臼骨缺損精準修復和髖臼解剖重建是臨床面臨的難題和挑戰。近年來數字醫學快速發展，采用3D打印技術定制假體已能實現精準重建關節解剖形態目標，臨床應用獲得了滿意近期療效，具有良好臨床應用前景。
本文以“3D打印定制假體”、“髖關節翻修”、“髖臼骨缺損”、“髖臼重建”以及“3D printed customized prosthesis”、“revision hip arthroplasty”、“acetabular bone defect”、“acetabular reconstruction”等關鍵詞，在中國知網、萬方數據庫、PubMed等數據庫檢索2013年1月—2024年5月有關3D打印定制假體及其在髖關節翻修髖臼重建中應用的相關文獻34 271篇，經閱讀文獻題目、摘要或全文，篩除不符合內容、質量較低、重復、證據等級不高的文獻，最終納入文獻共48篇。現對納入文獻進行歸納分析，旨在為研發3D打印定制假體及其在髖關節翻修中的應用提供參考。
1 3D打印定制假體研究
1.1 假體設計和制造
3D打印技術具有精確控制形狀和結構的優勢，從而更好地滿足個體化需求[2-6]。而3D打印定制假體則是利用數字醫學技術進行個性化設計，應用3D打印技術制備具有特定形狀、尺寸和功能的假體，以替代人體器官或部位。假體制造基本流程：將患者特定部位掃描數據生成數字化模型，在模型上設計和優化假體，根據患者個體和醫療需求進行優化，確保假體適配性，將數字假體模型轉化為可供3D打印的文件格式導入3D打印機中，選取合適材料逐層打印假體，最后根據患者特定需求進行適配和后處理[7]。
1.2 假體材料性能
3D打印定制假體的材料在醫學應用中至關重要，既要達到臨床應用標準，又要滿足個體化需求。在選擇材料時，需要考慮材料的力學性能、生物相容性、3D打印兼容性以及臨床可行性等因素。隨著3D打印技術的不斷發展，新材料也在不斷涌現，為定制假體提供了更多選擇。
1.2.1 骨長入性能
3D打印技術允許根據患者的骨骼形狀和尺寸定制假體，這種個性化設計可以更好地適配患者骨骼結構，從而提高骨長入效果。Dall’Ava 等[8]對髖關節翻修中取出的髖臼假體骨長入進行研究，結果表明3D打印多孔鈦合金髖臼假體骨長入面積、長入程度及深度均明顯優于傳統假體，直接證明了3D 打印定制假體骨整合的優勢。
3D打印定制假體常用材料有鈦合金、鉭金屬、生物陶瓷及生物可降解復合材料等。其中，鈦合金具有良好生物相容性、耐腐蝕性能及高強度。多孔結構鈦合金進一步解決了“應力屏蔽”導致的植入物與天然骨之間彈性模量不匹配的問題[9]，研究表明其孔徑為500～800 μm、孔隙率為70%～90%時具有最強的骨長入性能[10]。Zhang等[11]認為鈦合金植入物具有生物惰性表面，難以充分誘導骨長入，因此需要進行表面修飾。Chen等[12]通過CaO-MgO-SiO 玻璃陶瓷涂層修飾Ti6Al4V支架，結果顯示支架生物相容性改善，有利于BMSCs在其表面黏附和生長。Klasan等[13]對48例接受3D打印鈦合金髖臼假體THA患者，于術后6周及6、12、24個月采用雙能X線測量骨密度，觀察DeLee-Charnley 3個髖臼分區骨密度及骨重塑變化。結果顯示3D打印鈦合金髖臼假體周圍骨密度與健側髖關節相比無顯著差異，提示該假體具有優越骨整合能力。Sheng等[14]將海藻酸鈉和VEGF引入礦化膠原蛋白中，進一步將該膠原蛋白填充至3D 打印鈦合金支架孔隙中，形成新的有機-無機生物活性界面，促進骨和血管再生。
鉭金屬具有穩定的理化性能、優異的生物相容性和與天然骨相似的彈性模量，鉭涂層或鉭顆粒可以改善材料生物活性并促進骨長入[15]。Wang等[16]采用磁控濺射在3D打印的Ti6Al4V支架上沉積鉭涂層，結果顯示該涂層通過影響細胞增殖、黏附以及細胞間和細胞材料間的信號傳導，促進支架表面骨長入。García-Robledo等[17]的研究合成了一種鉭金屬復合多糖支架，相對于鈦金屬復合多糖支架，具有更強的誘導MSCs分化為成骨細胞的能力。多孔鉭金屬彈性模量接近正常人骨組織，有利于降低應力屏蔽效應；具有高孔隙率，有利于細胞黏附、增殖、營養交換、骨誘導蛋白的流入和血管形成，從而促進骨長入。
1.2.2 抗感染性能
3D打印定制假體的多孔結構有利于細菌黏附、定植、沉積，細菌感染會延遲假體表面骨長入，甚至導致假體松動和骨感染，因此抗菌性能對于假體骨長入至關重要。Maimaiti等[18]在鈦合金表面構建了具有生物活性、抗菌性以及血管生成、骨誘導功能的聚吡咯，具有作為羥基磷灰石納米顆粒和氧化鋅納米顆粒雙重調節劑的功能，可誘導BMSCs黏附、增殖、分化，并對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有良好的抑菌作用。Li等[19]在多孔鈦合金表面構建咪唑離子液體涂層，實現假體近紅外觸發的光熱殺菌活性，通過穿透組織的近紅外輻射遠程殺滅細菌，以提高抗菌性能。Wu等[20]使用銅離子作為涂層，其能促進M1巨噬細胞的極化，從而誘導促炎反應，以抑制感染并實現免疫抗菌活性。Karaji等[21]使用電泳沉積法將由磷酸三鈣和萬古霉素組成的絲素蛋白溶液作為支架涂層，結果表明該涂層具有抗菌和誘導骨長入能力。研究已證明，采用經銅、鍶、銀、硅和鋅等元素進行表面修飾的鈦金屬制備髖臼杯，其生物活性和抗菌性能均增強[22]。鍶是通過促進新骨形成和抑制骨吸收來促進骨生長的重要元素，而銀具有廣譜殺菌性能。Wang等[23]的研究顯示在TiO2涂層中聯合使用上述兩種金屬離子，可增強材料成骨細胞擴散和骨結合、保持長期抗菌作用，還能避免單純使用銀離子時劑量超標引起的細胞毒性作用。Jiao等[24]采用飛秒激光在多孔鈦合金表面構建了分級微槽結構，并且結合聚多巴胺黏附的銀，通過聚多巴胺和分層結構協同作用實現了銀吸附和釋放的可調節性；與原始表面相比，表現出更好的抗菌性能。
1.2.3 力學性能
傳統金屬假體因彈性模量遠高于正常骨組織，植入人體后存在應力遮擋，進而致使局部出現骨質吸收、骨質疏松，甚至應力性骨折和假體松動。3D打印定制假體可通過設置不同孔徑和孔隙率調控假體整體密度、強度和彈性模量，使其機械性能更好地匹配骨組織，從而有效地降低或消除應力遮擋效應[25]。3D打印定制假體還可以通過表面修飾改善機械性能。Sun等[26]通過微弧氧化工藝將石墨烯涂覆在鈦合金上，從而顯著改善鈦合金的表面粗糙度。研究發現多孔石墨烯鈦合金材料接近于正常骨組織的彈性模量，而且可促進具有多向分化潛能的脂肪干細胞增殖和黏附。與鈦金屬相比，鉭金屬具有更好的生物相容性和骨長入性能，機械性能更接近于骨組織。Fan等[27]發現單軸壓縮試驗時，鉭支架等效應力為（411±1.43）MPa，顯著大于鈦支架；而楊氏模量為（2.61±0.02）GPa，僅為鈦支架的一半；與鈦支架相比，不同孔徑的3D打印鉭支架在生物力學性質上更接近實際骨組織。
近年來，3D打印復合材料成為研究熱點。Paz-González等[28]研發了一種由3D打印聚乳酸層和碳纖維層壓板組成的復合材料，拉伸模量為（19.29±0.48）GPa，拉伸強度為（238.91±25.95）MPa，力學性能與正常人體骨骼非常相似，可以用于制造髖關節股骨柄假體。Zhang等[29]使用了3D打印多孔鉭假體置換橈骨頭，顯示假體具有理想的彈性模量，患者術后疼痛減輕，肘部功能和活動度改善，鉭假體骨向內生長。隨著技術發展和改進，研發的3D打印材料可以更好地滿足假體制備需求。
2 3D打印定制假體在髖關節翻修髖臼重建中的應用
髖關節翻修主要難點是巨大復雜髖臼骨缺損的處理[30]。髖臼重建旨在修復或替代缺損的髖臼結構，以恢復髖臼解剖結構和功能。根據重建的目的和方法不同，髖臼重建可以分為骨缺損修復、髖臼結構重建。傳統髖臼假體難以完全匹配患者個體化髖臼解剖特點和缺損類型，而3D打印定制假體是基于患者個性化的解剖數據，制造與髖臼解剖相匹配并能精準修復骨缺損的假體，從而提高髖臼重建的精準性并減少手術時間和創傷。
在髖關節翻修領域，與傳統假體相比，3D打印定制假體表面為多孔結構，具有良好的孔徑和孔隙率，這種微孔結構既有利于骨長入，實現假體長期穩定；又增大了與骨面的摩擦力，有利于獲得良好初始穩定性，減少或避免了假體松動的風險；3D打印定制假體的彈性模量與正常骨組織接近，可減少應力遮擋現象的發生。Wan等[31]將42例髖關節翻修患者根據翻修方法和翻修材料分為觀察組（3D打印鈦合金臼杯和墊塊）和對照組（非3D打印鈦合金臼杯和墊塊），觀察組術后疼痛視覺模擬評分（VAS）、Harris評分和生活質量健康調查量表（SF-36）評分均優于對照組，假體穩定性和骨長入也優于對照組。Berlinberg等[32]應用一種新型3D打印多孔鈦合金髖臼假體進行68例髖關節翻修，術后隨訪至少2年，髖臼假體生存率為88%，末次隨訪時所有髖臼假體均顯示影像學骨整合征象，無移位發生，表現出良好的生存率和骨整合性能。對于Paprosky Ⅱ、Ⅲ型中重度髖臼骨缺損患者，選擇3D打印定制增強塊、一體化定制假體、組配式定制假體，可獲得較好的假體穩定性及生存率（圖1）。
圖1
3D打印增強塊與定制假體在髖關節翻修Paprosky Ⅱ、Ⅲ型髖臼骨缺損中的應用
Figure1.
Application of 3D printed augment and customized prosthesis for Paprosky type Ⅱ and Ⅲ acetabular bone defect in hip revision surgery
2.1 3D打印定制假體（增強塊）應用于髖臼骨缺損修復
髖關節翻修術中髖臼骨缺損修復常用方法有骨水泥填充、分層打壓植骨、結構性植骨以及采用Jumbo杯等，均存在優勢及不足。其中，骨水泥填充后假體初始穩定性好，但遠期容易松動，且增加再次翻修的難度；分層打壓植骨對術者技術要求較高，存在感染、骨爬行替代時間長、植骨材料有限等局限性；結構性植骨近期療效良好，遠期容易松動、塌陷、吸收；Jumbo杯存在旋轉中心上移、軟組織撞擊尤其是髂腰肌撞擊等問題，且不適用于嚴重骨缺損患者，無法獲得良好初始穩定性[33]。
規格固定的增強塊和髖臼杯可以滿足大多數髖臼骨缺損修復需求，但是對于一些復雜骨缺損，多變的缺損形狀與增強塊難以匹配。3D打印定制增強塊為髖關節翻修骨缺損修復提供了一個新的解決方案，可以精確匹配骨缺損形狀，從而精準修復骨缺損并恢復髖關節旋轉中心。馬立峰等[34]比較了3D 打印鈦合金加強塊和Jumbo臼杯重建髖臼骨缺損的早期療效，患者隨訪時間24～37個月，結果顯示兩種方法都能獲得滿意臨床療效，但3D打印鈦合金加強塊組術后并發癥發生率更低。Fu等[35]通過3D打印鈦合金金屬墊塊對18例Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損進行修復，金屬墊塊與骨缺損及髖臼假體精準匹配，術后雙下肢不等長和旋轉中心恢復，髖關節功能明顯改善，早期臨床療效良好。Kong等[36]應用3D打印鈦金屬增強塊聯合鉭杯治療23例髖關節翻修PaproskyⅢ型髖臼骨缺損，患者獲隨訪2～7年，平均4.7年，均獲得滿意的髖關節功能和假體生存率。Ying等[37]應用3D打印鈦金屬增強塊結合鉭杯對髖關節翻修髖臼骨缺損進行了精準修復，并恢復了旋轉中心，早期隨訪髖關節功能和臨床效果滿意。
2.2 3D打印定制假體（一體化或組配式髖臼杯）應用于髖臼重建
對于復雜髖臼骨缺損，傳統修復重建技術主要包括Cup-cage技術及Cup-cup技術。Cup-cage技術即“臼杯-重建籠”技術，于真臼內打入具有良好骨長入能力的金屬髖臼杯，將髖臼加強環置于髖臼杯中，使用骨水泥固定內襯，常被用來處理復雜的髖臼骨缺損。Arvinte等[38]報道了Cup-cage技術治療Paprosky Ⅲb型髖臼骨缺損，平均隨訪72個月（63～140個月），所有患者均無需重新翻修，但研究僅納入7例患者且隨訪時間有限。Garceau等[39]報道采用Cup-cage 技術行髖關節翻修的10年失敗率達61.6%，提示存在巨大髖臼骨缺損情況下，使用該技術療效不可靠。Cup-cup技術即“杯中杯”技術，利用內側殘留的可支撐宿主骨壓配一多孔鉭杯修復巨大骨缺損，再以此鉭杯為基礎安放骨水泥臼杯。Zhang等[40]應用Cup-cup技術或聯合打壓植骨治療18例Paprosky Ⅲ型骨缺損患者，中位隨訪時間61.0個月，術后早期脫位3例（16.7%），末次隨訪時髖關節功能及旋轉中心位置良好。因此，他們認為Cup-cup技術單獨或聯合打壓植骨可用于無骨盆不連續的Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損的治療，然而術后并發癥發生率高，特別是關節脫位，仍然是一個挑戰。上述兩種技術均可應用于髖關節翻修髖臼重建，可以簡化手術操作，提高手術效率，但是難以精準匹配骨缺損和解剖重建旋轉中心。
而3D打印定制假體（一體化或組配式髖臼杯）可以精準匹配骨缺損和解剖重建旋轉中心。Alqwbani等[41]在髖關節翻修中使用多孔鉭金屬小梁杯和增強塊重建髖臼骨缺損，得到了令人滿意的臨床和影像學結果。3D打印定制假體可以根據患者髖臼骨缺損的大小、形態進行個體化修復；根據髖臼周圍骨質的情況設計假體螺釘的數量和方向，提高假體的初始穩定性；可以在假體表面進行理化和生物學處理，提高假體骨長入能力，有助于增加髖臼杯的遠期穩定性，從而降低假體松動的風險。Di Laur等[42]應用3D打印定制髖臼假體治療26例Paprosky Ⅲb型髖臼骨缺損患者，中位隨訪時間53個月，24例（92%）在假體表面觀察到骨長入，12個月時可見髖臼壁和頂部以及周圍翼部骨長入，無假體松動、斷裂、移位現象發生。Gruber等[43]對16例Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損應用定制三翼型髖臼杯進行髖臼重建，進行了平均12.2個月隨訪，獲得了良好功能和影像學結果。Xiao等[44]使用多孔鉭增強塊結合鈦涂層杯對31例Paprosky Ⅲa型和10例Paprosky Ⅲb型髖臼骨缺損患者進行髖關節翻修，平均隨訪時間122.8個月，Harris 髖關節評分從術前平均32.1分提高至85.3分，取得了令人滿意的長期影像學和臨床結果。Hao等[45]進行了一項回顧性研究，納入2015年—2018年使用3D打印鈦杯和增強塊進行髖關節翻修的58例PaproskyⅡ、Ⅲ型髖臼骨缺損患者，平均隨訪64.5個月，Harris評分、Oxford評分分別從（33.0±10.7）、（11.4±3.4）分提高至（80.3±8.8）、（35.8±2.4）分，髖臼假體生存率為93.0%，無菌性松動翻修率2.3%。Hube等[46]使用鉭杯結合2個增強塊應用“footing”支撐技術治療 PaproskyⅢb型髖臼骨缺損，獲得了良好的中期隨訪效果。Romagnoli等[47]使用CT 評估定制髖臼假體應用于PaproskyⅢ型髖臼骨缺損髖關節翻修中，術前計劃與術后位置之間的準確性，發現3D打印定制髖臼假體位置定位準確、可靠。Scharff-Baauw等[48]在50例巨大髖臼骨缺損伴骨盆不連續患者翻修術中采用定制一體化三翼髖臼假體，經術后2年隨訪顯示患者髖關節功能良好、滿意度較高。
3 3D打印定制假體面臨的問題及展望
3D打印定制假體用于髖關節翻修髖臼重建中具有許多優勢，術后髖關節功能Harris評分、疼痛VAS評分與傳統假體相比均有進一步提升。另外3D打印定制假體的穩定性和骨長入性能優于非3D打印的金屬杯和增強塊；此外由于孔隙足夠、孔隙均勻，3D打印定制假體表面摩擦系數優異，進一步延長了假體使用壽命。因此，使用3D打印定制假體進行髖臼重建可以更好地恢復髖關節功能，減少疼痛并改善患者的生活質量。
但3D打印定制假體也面臨一些問題和挑戰。① 3D打印定制假體的材料和表面修飾有待進一步深入研究，需要開發具有更好生物相容性、力學性能、骨長入性能、抗感染性能的材料。② 3D打印定制假體的設計和制造屬于醫療器械應用領域，需要符合相關的監管認證和法律法規要求。未來需要制定嚴格的標準和規范，確保3D打印假體的質量和安全性。③ 目前，臨床醫師過多關注于3D打印定制假體對解剖結構的修復和重建，且多數臨床應用文獻為重復研究，有待進一步研究集結構修復和功能重建為一體的3D打印定制假體，以及更加深入、長期隨訪療效。④ 對于高度個體化3D打印定制假體，為確保其設計和制造過程的精確性，術前準備時間較長且制造成本較高，限制了其在臨床廣泛應用，需要進一步優化生產流程和工藝，減少假體制造成本。⑤ 由于術前對骨溶解范圍評估存在差異、髖關節翻修術中假體取出造成骨缺損的不確定性，3D打印定制假體難以適應所有術中情況，因此術前影像學評估、術中靈活的手術策略，以及多學科團隊協作顯得尤為重要。隨著技術的發展和改進，期待3D打印定制假體更優越的材料性能、更高的精準性，以及更低的生產成本，進一步促進其在髖關節翻修個性化髖臼重建中的應用。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點
作者貢獻聲明 張衡、馬曉東：文章撰寫及修改；李寬新、劉揚：觀點形成；周建生、陶鈞：對文章的知識性內容作批評性審閱；李博聞：文獻資料的收集及整理
人工全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）是治療終末期髖關節疾病的有效方法，可緩解疼痛并恢復髖關節功能[1]。隨著人口老齡化加劇，初次THA手術量呈持續增長趨勢，髖關節翻修數量也相應增加。與初次THA相比，髖關節翻修術常面臨復雜的骨缺損和大量軟組織瘢痕的問題，尤其是髖臼側，手術操作復雜、手術時間長、術中出血多、術后并發癥多，而且手術效果遠不如初次THA。髖關節翻修術中，如何實現髖臼骨缺損精準修復和髖臼解剖重建是臨床面臨的難題和挑戰。近年來數字醫學快速發展，采用3D打印技術定制假體已能實現精準重建關節解剖形態目標，臨床應用獲得了滿意近期療效，具有良好臨床應用前景。
本文以“3D打印定制假體”、“髖關節翻修”、“髖臼骨缺損”、“髖臼重建”以及“3D printed customized prosthesis”、“revision hip arthroplasty”、“acetabular bone defect”、“acetabular reconstruction”等關鍵詞，在中國知網、萬方數據庫、PubMed等數據庫檢索2013年1月—2024年5月有關3D打印定制假體及其在髖關節翻修髖臼重建中應用的相關文獻34 271篇，經閱讀文獻題目、摘要或全文，篩除不符合內容、質量較低、重復、證據等級不高的文獻，最終納入文獻共48篇。現對納入文獻進行歸納分析，旨在為研發3D打印定制假體及其在髖關節翻修中的應用提供參考。
1 3D打印定制假體研究
1.1 假體設計和制造
3D打印技術具有精確控制形狀和結構的優勢，從而更好地滿足個體化需求[2-6]。而3D打印定制假體則是利用數字醫學技術進行個性化設計，應用3D打印技術制備具有特定形狀、尺寸和功能的假體，以替代人體器官或部位。假體制造基本流程：將患者特定部位掃描數據生成數字化模型，在模型上設計和優化假體，根據患者個體和醫療需求進行優化，確保假體適配性，將數字假體模型轉化為可供3D打印的文件格式導入3D打印機中，選取合適材料逐層打印假體，最后根據患者特定需求進行適配和后處理[7]。
1.2 假體材料性能
3D打印定制假體的材料在醫學應用中至關重要，既要達到臨床應用標準，又要滿足個體化需求。在選擇材料時，需要考慮材料的力學性能、生物相容性、3D打印兼容性以及臨床可行性等因素。隨著3D打印技術的不斷發展，新材料也在不斷涌現，為定制假體提供了更多選擇。
1.2.1 骨長入性能
3D打印技術允許根據患者的骨骼形狀和尺寸定制假體，這種個性化設計可以更好地適配患者骨骼結構，從而提高骨長入效果。Dall’Ava 等[8]對髖關節翻修中取出的髖臼假體骨長入進行研究，結果表明3D打印多孔鈦合金髖臼假體骨長入面積、長入程度及深度均明顯優于傳統假體，直接證明了3D 打印定制假體骨整合的優勢。
3D打印定制假體常用材料有鈦合金、鉭金屬、生物陶瓷及生物可降解復合材料等。其中，鈦合金具有良好生物相容性、耐腐蝕性能及高強度。多孔結構鈦合金進一步解決了“應力屏蔽”導致的植入物與天然骨之間彈性模量不匹配的問題[9]，研究表明其孔徑為500～800 μm、孔隙率為70%～90%時具有最強的骨長入性能[10]。Zhang等[11]認為鈦合金植入物具有生物惰性表面，難以充分誘導骨長入，因此需要進行表面修飾。Chen等[12]通過CaO-MgO-SiO 玻璃陶瓷涂層修飾Ti6Al4V支架，結果顯示支架生物相容性改善，有利于BMSCs在其表面黏附和生長。Klasan等[13]對48例接受3D打印鈦合金髖臼假體THA患者，于術后6周及6、12、24個月采用雙能X線測量骨密度，觀察DeLee-Charnley 3個髖臼分區骨密度及骨重塑變化。結果顯示3D打印鈦合金髖臼假體周圍骨密度與健側髖關節相比無顯著差異，提示該假體具有優越骨整合能力。Sheng等[14]將海藻酸鈉和VEGF引入礦化膠原蛋白中，進一步將該膠原蛋白填充至3D 打印鈦合金支架孔隙中，形成新的有機-無機生物活性界面，促進骨和血管再生。
鉭金屬具有穩定的理化性能、優異的生物相容性和與天然骨相似的彈性模量，鉭涂層或鉭顆粒可以改善材料生物活性并促進骨長入[15]。Wang等[16]采用磁控濺射在3D打印的Ti6Al4V支架上沉積鉭涂層，結果顯示該涂層通過影響細胞增殖、黏附以及細胞間和細胞材料間的信號傳導，促進支架表面骨長入。García-Robledo等[17]的研究合成了一種鉭金屬復合多糖支架，相對于鈦金屬復合多糖支架，具有更強的誘導MSCs分化為成骨細胞的能力。多孔鉭金屬彈性模量接近正常人骨組織，有利于降低應力屏蔽效應；具有高孔隙率，有利于細胞黏附、增殖、營養交換、骨誘導蛋白的流入和血管形成，從而促進骨長入。
1.2.2 抗感染性能
3D打印定制假體的多孔結構有利于細菌黏附、定植、沉積，細菌感染會延遲假體表面骨長入，甚至導致假體松動和骨感染，因此抗菌性能對于假體骨長入至關重要。Maimaiti等[18]在鈦合金表面構建了具有生物活性、抗菌性以及血管生成、骨誘導功能的聚吡咯，具有作為羥基磷灰石納米顆粒和氧化鋅納米顆粒雙重調節劑的功能，可誘導BMSCs黏附、增殖、分化，并對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有良好的抑菌作用。Li等[19]在多孔鈦合金表面構建咪唑離子液體涂層，實現假體近紅外觸發的光熱殺菌活性，通過穿透組織的近紅外輻射遠程殺滅細菌，以提高抗菌性能。Wu等[20]使用銅離子作為涂層，其能促進M1巨噬細胞的極化，從而誘導促炎反應，以抑制感染并實現免疫抗菌活性。Karaji等[21]使用電泳沉積法將由磷酸三鈣和萬古霉素組成的絲素蛋白溶液作為支架涂層，結果表明該涂層具有抗菌和誘導骨長入能力。研究已證明，采用經銅、鍶、銀、硅和鋅等元素進行表面修飾的鈦金屬制備髖臼杯，其生物活性和抗菌性能均增強[22]。鍶是通過促進新骨形成和抑制骨吸收來促進骨生長的重要元素，而銀具有廣譜殺菌性能。Wang等[23]的研究顯示在TiO2涂層中聯合使用上述兩種金屬離子，可增強材料成骨細胞擴散和骨結合、保持長期抗菌作用，還能避免單純使用銀離子時劑量超標引起的細胞毒性作用。Jiao等[24]采用飛秒激光在多孔鈦合金表面構建了分級微槽結構，并且結合聚多巴胺黏附的銀，通過聚多巴胺和分層結構協同作用實現了銀吸附和釋放的可調節性；與原始表面相比，表現出更好的抗菌性能。
1.2.3 力學性能
傳統金屬假體因彈性模量遠高于正常骨組織，植入人體后存在應力遮擋，進而致使局部出現骨質吸收、骨質疏松，甚至應力性骨折和假體松動。3D打印定制假體可通過設置不同孔徑和孔隙率調控假體整體密度、強度和彈性模量，使其機械性能更好地匹配骨組織，從而有效地降低或消除應力遮擋效應[25]。3D打印定制假體還可以通過表面修飾改善機械性能。Sun等[26]通過微弧氧化工藝將石墨烯涂覆在鈦合金上，從而顯著改善鈦合金的表面粗糙度。研究發現多孔石墨烯鈦合金材料接近于正常骨組織的彈性模量，而且可促進具有多向分化潛能的脂肪干細胞增殖和黏附。與鈦金屬相比，鉭金屬具有更好的生物相容性和骨長入性能，機械性能更接近于骨組織。Fan等[27]發現單軸壓縮試驗時，鉭支架等效應力為（411±1.43）MPa，顯著大于鈦支架；而楊氏模量為（2.61±0.02）GPa，僅為鈦支架的一半；與鈦支架相比，不同孔徑的3D打印鉭支架在生物力學性質上更接近實際骨組織。
近年來，3D打印復合材料成為研究熱點。Paz-González等[28]研發了一種由3D打印聚乳酸層和碳纖維層壓板組成的復合材料，拉伸模量為（19.29±0.48）GPa，拉伸強度為（238.91±25.95）MPa，力學性能與正常人體骨骼非常相似，可以用于制造髖關節股骨柄假體。Zhang等[29]使用了3D打印多孔鉭假體置換橈骨頭，顯示假體具有理想的彈性模量，患者術后疼痛減輕，肘部功能和活動度改善，鉭假體骨向內生長。隨著技術發展和改進，研發的3D打印材料可以更好地滿足假體制備需求。
2 3D打印定制假體在髖關節翻修髖臼重建中的應用
髖關節翻修主要難點是巨大復雜髖臼骨缺損的處理[30]。髖臼重建旨在修復或替代缺損的髖臼結構，以恢復髖臼解剖結構和功能。根據重建的目的和方法不同，髖臼重建可以分為骨缺損修復、髖臼結構重建。傳統髖臼假體難以完全匹配患者個體化髖臼解剖特點和缺損類型，而3D打印定制假體是基于患者個性化的解剖數據，制造與髖臼解剖相匹配并能精準修復骨缺損的假體，從而提高髖臼重建的精準性并減少手術時間和創傷。
在髖關節翻修領域，與傳統假體相比，3D打印定制假體表面為多孔結構，具有良好的孔徑和孔隙率，這種微孔結構既有利于骨長入，實現假體長期穩定；又增大了與骨面的摩擦力，有利于獲得良好初始穩定性，減少或避免了假體松動的風險；3D打印定制假體的彈性模量與正常骨組織接近，可減少應力遮擋現象的發生。Wan等[31]將42例髖關節翻修患者根據翻修方法和翻修材料分為觀察組（3D打印鈦合金臼杯和墊塊）和對照組（非3D打印鈦合金臼杯和墊塊），觀察組術后疼痛視覺模擬評分（VAS）、Harris評分和生活質量健康調查量表（SF-36）評分均優于對照組，假體穩定性和骨長入也優于對照組。Berlinberg等[32]應用一種新型3D打印多孔鈦合金髖臼假體進行68例髖關節翻修，術后隨訪至少2年，髖臼假體生存率為88%，末次隨訪時所有髖臼假體均顯示影像學骨整合征象，無移位發生，表現出良好的生存率和骨整合性能。對于Paprosky Ⅱ、Ⅲ型中重度髖臼骨缺損患者，選擇3D打印定制增強塊、一體化定制假體、組配式定制假體，可獲得較好的假體穩定性及生存率（圖1）。
圖1
3D打印增強塊與定制假體在髖關節翻修Paprosky Ⅱ、Ⅲ型髖臼骨缺損中的應用
Figure1.
Application of 3D printed augment and customized prosthesis for Paprosky type Ⅱ and Ⅲ acetabular bone defect in hip revision surgery
2.1 3D打印定制假體（增強塊）應用于髖臼骨缺損修復
髖關節翻修術中髖臼骨缺損修復常用方法有骨水泥填充、分層打壓植骨、結構性植骨以及采用Jumbo杯等，均存在優勢及不足。其中，骨水泥填充后假體初始穩定性好，但遠期容易松動，且增加再次翻修的難度；分層打壓植骨對術者技術要求較高，存在感染、骨爬行替代時間長、植骨材料有限等局限性；結構性植骨近期療效良好，遠期容易松動、塌陷、吸收；Jumbo杯存在旋轉中心上移、軟組織撞擊尤其是髂腰肌撞擊等問題，且不適用于嚴重骨缺損患者，無法獲得良好初始穩定性[33]。
規格固定的增強塊和髖臼杯可以滿足大多數髖臼骨缺損修復需求，但是對于一些復雜骨缺損，多變的缺損形狀與增強塊難以匹配。3D打印定制增強塊為髖關節翻修骨缺損修復提供了一個新的解決方案，可以精確匹配骨缺損形狀，從而精準修復骨缺損并恢復髖關節旋轉中心。馬立峰等[34]比較了3D 打印鈦合金加強塊和Jumbo臼杯重建髖臼骨缺損的早期療效，患者隨訪時間24～37個月，結果顯示兩種方法都能獲得滿意臨床療效，但3D打印鈦合金加強塊組術后并發癥發生率更低。Fu等[35]通過3D打印鈦合金金屬墊塊對18例Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損進行修復，金屬墊塊與骨缺損及髖臼假體精準匹配，術后雙下肢不等長和旋轉中心恢復，髖關節功能明顯改善，早期臨床療效良好。Kong等[36]應用3D打印鈦金屬增強塊聯合鉭杯治療23例髖關節翻修PaproskyⅢ型髖臼骨缺損，患者獲隨訪2～7年，平均4.7年，均獲得滿意的髖關節功能和假體生存率。Ying等[37]應用3D打印鈦金屬增強塊結合鉭杯對髖關節翻修髖臼骨缺損進行了精準修復，并恢復了旋轉中心，早期隨訪髖關節功能和臨床效果滿意。
2.2 3D打印定制假體（一體化或組配式髖臼杯）應用于髖臼重建
對于復雜髖臼骨缺損，傳統修復重建技術主要包括Cup-cage技術及Cup-cup技術。Cup-cage技術即“臼杯-重建籠”技術，于真臼內打入具有良好骨長入能力的金屬髖臼杯，將髖臼加強環置于髖臼杯中，使用骨水泥固定內襯，常被用來處理復雜的髖臼骨缺損。Arvinte等[38]報道了Cup-cage技術治療Paprosky Ⅲb型髖臼骨缺損，平均隨訪72個月（63～140個月），所有患者均無需重新翻修，但研究僅納入7例患者且隨訪時間有限。Garceau等[39]報道采用Cup-cage 技術行髖關節翻修的10年失敗率達61.6%，提示存在巨大髖臼骨缺損情況下，使用該技術療效不可靠。Cup-cup技術即“杯中杯”技術，利用內側殘留的可支撐宿主骨壓配一多孔鉭杯修復巨大骨缺損，再以此鉭杯為基礎安放骨水泥臼杯。Zhang等[40]應用Cup-cup技術或聯合打壓植骨治療18例Paprosky Ⅲ型骨缺損患者，中位隨訪時間61.0個月，術后早期脫位3例（16.7%），末次隨訪時髖關節功能及旋轉中心位置良好。因此，他們認為Cup-cup技術單獨或聯合打壓植骨可用于無骨盆不連續的Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損的治療，然而術后并發癥發生率高，特別是關節脫位，仍然是一個挑戰。上述兩種技術均可應用于髖關節翻修髖臼重建，可以簡化手術操作，提高手術效率，但是難以精準匹配骨缺損和解剖重建旋轉中心。
而3D打印定制假體（一體化或組配式髖臼杯）可以精準匹配骨缺損和解剖重建旋轉中心。Alqwbani等[41]在髖關節翻修中使用多孔鉭金屬小梁杯和增強塊重建髖臼骨缺損，得到了令人滿意的臨床和影像學結果。3D打印定制假體可以根據患者髖臼骨缺損的大小、形態進行個體化修復；根據髖臼周圍骨質的情況設計假體螺釘的數量和方向，提高假體的初始穩定性；可以在假體表面進行理化和生物學處理，提高假體骨長入能力，有助于增加髖臼杯的遠期穩定性，從而降低假體松動的風險。Di Laur等[42]應用3D打印定制髖臼假體治療26例Paprosky Ⅲb型髖臼骨缺損患者，中位隨訪時間53個月，24例（92%）在假體表面觀察到骨長入，12個月時可見髖臼壁和頂部以及周圍翼部骨長入，無假體松動、斷裂、移位現象發生。Gruber等[43]對16例Paprosky Ⅲ型髖臼骨缺損應用定制三翼型髖臼杯進行髖臼重建，進行了平均12.2個月隨訪，獲得了良好功能和影像學結果。Xiao等[44]使用多孔鉭增強塊結合鈦涂層杯對31例Paprosky Ⅲa型和10例Paprosky Ⅲb型髖臼骨缺損患者進行髖關節翻修，平均隨訪時間122.8個月，Harris 髖關節評分從術前平均32.1分提高至85.3分，取得了令人滿意的長期影像學和臨床結果。Hao等[45]進行了一項回顧性研究，納入2015年—2018年使用3D打印鈦杯和增強塊進行髖關節翻修的58例PaproskyⅡ、Ⅲ型髖臼骨缺損患者，平均隨訪64.5個月，Harris評分、Oxford評分分別從（33.0±10.7）、（11.4±3.4）分提高至（80.3±8.8）、（35.8±2.4）分，髖臼假體生存率為93.0%，無菌性松動翻修率2.3%。Hube等[46]使用鉭杯結合2個增強塊應用“footing”支撐技術治療 PaproskyⅢb型髖臼骨缺損，獲得了良好的中期隨訪效果。Romagnoli等[47]使用CT 評估定制髖臼假體應用于PaproskyⅢ型髖臼骨缺損髖關節翻修中，術前計劃與術后位置之間的準確性，發現3D打印定制髖臼假體位置定位準確、可靠。Scharff-Baauw等[48]在50例巨大髖臼骨缺損伴骨盆不連續患者翻修術中采用定制一體化三翼髖臼假體，經術后2年隨訪顯示患者髖關節功能良好、滿意度較高。
3 3D打印定制假體面臨的問題及展望
3D打印定制假體用于髖關節翻修髖臼重建中具有許多優勢，術后髖關節功能Harris評分、疼痛VAS評分與傳統假體相比均有進一步提升。另外3D打印定制假體的穩定性和骨長入性能優于非3D打印的金屬杯和增強塊；此外由于孔隙足夠、孔隙均勻，3D打印定制假體表面摩擦系數優異，進一步延長了假體使用壽命。因此，使用3D打印定制假體進行髖臼重建可以更好地恢復髖關節功能，減少疼痛并改善患者的生活質量。
但3D打印定制假體也面臨一些問題和挑戰。① 3D打印定制假體的材料和表面修飾有待進一步深入研究，需要開發具有更好生物相容性、力學性能、骨長入性能、抗感染性能的材料。② 3D打印定制假體的設計和制造屬于醫療器械應用領域，需要符合相關的監管認證和法律法規要求。未來需要制定嚴格的標準和規范，確保3D打印假體的質量和安全性。③ 目前，臨床醫師過多關注于3D打印定制假體對解剖結構的修復和重建，且多數臨床應用文獻為重復研究，有待進一步研究集結構修復和功能重建為一體的3D打印定制假體，以及更加深入、長期隨訪療效。④ 對于高度個體化3D打印定制假體，為確保其設計和制造過程的精確性，術前準備時間較長且制造成本較高，限制了其在臨床廣泛應用，需要進一步優化生產流程和工藝，減少假體制造成本。⑤ 由于術前對骨溶解范圍評估存在差異、髖關節翻修術中假體取出造成骨缺損的不確定性，3D打印定制假體難以適應所有術中情況，因此術前影像學評估、術中靈活的手術策略，以及多學科團隊協作顯得尤為重要。隨著技術的發展和改進，期待3D打印定制假體更優越的材料性能、更高的精準性，以及更低的生產成本，進一步促進其在髖關節翻修個性化髖臼重建中的應用。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點
作者貢獻聲明 張衡、馬曉東：文章撰寫及修改；李寬新、劉揚：觀點形成；周建生、陶鈞：對文章的知識性內容作批評性審閱；李博聞：文獻資料的收集及整理
