現行大段骨缺損治療的理念仍為借助自體、異體或人工骨移植填充的方式完成骨組織的替代與融合，即”骨-骨”界面融合，理論根深蒂固，而臨床療效欠佳。本研究采用定制式鈦合金多孔內植物進行大段骨缺損的修復，實現了患者早期肢體功能恢復及遠期”內植物-骨”界面的可靠融合，療效顯著提高。

01、研究內容簡介

創(chuàng)傷、感染或腫瘤切除等原因造成的大段骨缺損一直是具有挑戰(zhàn)性的臨床難題。大約5%-10%的骨折會延遲愈合或不愈合，而幾乎所有的節(jié)段性骨丟失會導致骨折不愈合。在全球范圍內，每年有超過220萬例骨移植手術用于治療骨科、神經外科和牙科的骨缺損。

大段骨缺損治療的經典技術包括Ilizarov技術、通過生物膜誘導骨再生技術（Masquelet技術）、自體血管化皮質骨移植技術及鈦網（填充以自體或異體骨）植入技術。上述療法隨技術上各有特點，但實質上均建立在“骨-骨”融合的理念之上，即于缺損區(qū)內移植填充自體骨、異體骨或人工骨，通過骨組織的修復替代，最終完成缺損區(qū)兩端骨骼的連接與融合。然而，臨床實踐表明這些治療方法并不理想，有時甚至并不可靠。一般通過Ilizarov手術進行骨搬運需要數月時間才能愈合，在此期間患者無法正常活動。此方法更無可能用于多節(jié)段脊柱骨骼缺損的治療。Masquelet技術和自體血管化皮質骨移植的方法有助于增強骨融合，但難以實現術后即刻穩(wěn)定。由于需要大量異體/自體骨作為移植骨材料，常需另外手術取骨（如髂骨取骨）。采用鈦網植入骨缺損區(qū)的方法在一定程度上為各種移植材料的應用提供了便利，但其固定作用有限，且自身也存在容易松動、下沉或移位的不足。實際上，在某些解部位，如干骺端，Ilizarov和Masquelet等技術也難以應用。綜上，建立在“骨-骨”融合理念與理論基礎上的各種傳統(tǒng)技術在治療大段骨缺損時存在諸多不足或缺陷：治療過程漫長，而術后患者肢體無論即刻、早期，或術后較長時間內均無法負重。與上述需要大量異體/自體骨填充的方式相比，應用3D打印多孔鈦合金內植物修復重建骨缺損似具有明顯優(yōu)勢，首先，可根據骨缺損的形態(tài)精準定制植入物與之匹配，且無需植骨；另外，可根據金屬的優(yōu)勢，設計固定裝置，實現內植物與相鄰骨骼之間的即刻穩(wěn)定，以使患者做到術后早期離床活動；再者，可借助內植物的多孔結構特征，吸引相鄰骨組織長入其中，最終實現內植物-骨界面的永久融合。然而，應用3D打印多孔內植物修復骨缺損（尤其大段骨缺損）的臨床治療效果不僅需要隨訪病例觀察結果的證實，也需要相關動物實驗研究結果作為佐證。為此，我們進行了比較深入與系統(tǒng)的探索與研究。

鑒于傳統(tǒng)“骨-骨”融合方法在治療大段骨缺損方面的缺陷，同時基于對大段骨缺損病例進行探索性治療的經驗與相關動物實驗觀察結果，我們提出了一種新的大段骨缺損修復重建的技術與理念：即“內植物-骨”界面融合。基本思路為：a、采用3D打印多孔鈦合金假體植入骨缺損區(qū)的方式，將植入假體兩端與相鄰宿主骨連接固定，實現患者肢體的即刻（或早期）功能恢復；b、將植入假體設計為多孔結構，以吸引相鄰骨組織長入其中及包繞其周圍，實現“內植物-骨”界面融合。當然，如果內植物的多孔結構內貫通式長入骨組織，形成“骨-骨”融合當最為理想，但恐難成現實。然而，當內植物假體兩端有數毫米距離與宿主骨實現有效融合，則已經能滿足患者恢復肢體運動功能所需。我們將采用電子束熔融（EBM）技術制成的3D打印多孔鈦合金內植物應用于一組大段骨缺損病例的臨床治療，取得優(yōu)于預期的療效。同期，我們利用小尾寒羊制造長節(jié)段股骨缺損模型來研究這種方法的骨整合特點，對臨床病例治療的效果提供支撐依據。

圖1.3D打印多孔Ti6A14V內植物重建4 cm股骨缺損的放射學和生物力學分析。(A）植入后1個月、3個月和6個月的X線圖像（i-iii）植入后1、3和6個月的計算機斷層掃描圖像(iv-vi）。藍色箭頭表示缺損部位或植入物外表面新形成的骨。(vii)各組的放射學評分。（n=4）(B）處死后1、3和6個月組的microCT三維重建圖像（i-iii）（灰色表示鈦合金，綠色表示新生骨）。(ⅳ) 各組（n=4）內植物周圍和孔內區(qū)域骨體積分數的定量結果。

圖2. 3D打印多孔Ti6A14V內植物重建股骨4cm缺損的生物力學分析。(A） 各組樣品的三點彎曲強度（n=4）(B）“內植物-骨”復合體在（ii）1000 N、（iv）2000 N和（vi）3000 N下的應力分布。“內植物-骨”復合體在（i）1000N，（iii）2000N和（v）3000N下的位移分布.(**p<0.01，*p<0.05)。

圖3.3D打印多孔Ti6A14V內植物重建修復4 cm長股骨缺損的組織學分析。(A） 1、3和6個月組的Goldner三色染色（i-iii）。(iv）三組骨生長和種植體骨接觸率的定量結果。(v）各組礦化骨和類骨質比率（n=10）(B）內植物周圍和孔隙內新生骨的熒光標記。（白色箭頭表示鈦柱，綠色和黃色條帶分別表示鈣黃綠素和四環(huán)素標記的新生骨）。（i）1-，（iii）3-和（v）6個月組內植物周圍的骨整合情況。（ii）1-，（iv）3-，（vi）6個月組內植物孔隙內的骨整合情況。

圖4.3D打印多孔Ti6Al4V內植物重建脊柱骨缺損（病例1）。(A） （i-vi）術后1個月（i）、3個月（ii）、7（個月iii）、12個月（iv）、24個月（v）和32（vi）個月的“內植物-骨”X線圖像。藍色箭頭表示內植物與骨界面或內植物外表面新生骨。(B）術后3個月（i）、7個月（ii）、12個月（iii）、28個月(ⅳ)、32個月（v）和36個月（vi）的CT圖像。藍色箭頭表示種植體-骨界面或種植體外表面新形成的骨。

圖5.3D打印多孔Ti6Al4V內植物重建股骨缺損（病例2）。末次術后即刻（A）和植入后2（B）、5個月（C）、8個月（D）、14個月（E）和20個月（F）重建的11cm股骨缺損的X線圖像。藍色箭頭表示內植物和宿主骨之間的骨整合。

圖6.3D打印多孔Ti6Al4V內植物重建骨盆骨缺損（病例3）。從（A）側位和（B）前后位拍攝的“內植物-骨”復合體標本實物的照片。藍色箭頭所指“內植物-骨”界面區(qū)域的位置(C） “內植物-骨”界面的組織學圖像，顯示新生骨長入多孔內植物孔隙內。在（D）正中矢狀面，（E）冠狀面和（F）橫切面上“內植物-骨”接觸區(qū)域的micro-CT圖像。

在這項研究中，我們在不使用自體/同種異體骨移植或任何骨誘導劑的前提下，成功地通過3D打印多孔鈦合金內植物治療了各種病因引起的大段骨缺損，獲得了即刻及長期的生物力學穩(wěn)定性。動物實驗表明，骨可以在一定程度上生長到孔隙中，并逐漸重塑，從而使“內植物-骨”復合體實現長期力學穩(wěn)定。此外，本研究還提出了一種新的“內植物-骨”界面融合理念，用于治療大段骨缺損，該理念不同于傳統(tǒng)的“骨-骨”融合理念。

補充材料：

圖S2. 病例1：脊索瘤引起的19cm脊柱缺損(A） 植入三維打印個性化多孔種植體一個月后，患者可以完全負重行走，無需支撐(B） 植入三維打印個性化多孔種植體3個月后，患者可以自由活動并進行日常生活活動(C） 患者在植入3D打印個性化多孔植入物6個月后騎自行車(D） 植入3D打印個性化多孔植入物1年后，患者在旅途中進行了長距離步行。

圖S3. 頸椎（A）、胸椎（B、C）、腰椎（D、E）和股骨（F）缺損患者的“種植體-骨”界面融合是由于骨通過多孔種植體生長（A-E中的藍色箭頭所示）或外表面的礦化骨痂橋接（F中的藍色箭頭所示）。

圖S4.羊股骨4cm節(jié)段缺損的外科植入(A） 股骨的臨界尺寸（4cm）截骨術(B） 三維打印多孔種植體的植入與固定。黑色箭頭表示植入物的多孔結構。