زرعات مطبوعة ثلاثية الأبعاد مخصصة في جراحة العظام

Max H. Mccall; Pranav Singh; Benjamin R. Wesorick; Rishin J. Kadakia

doi:10.3791/68641

Method Article

زرعات مطبوعة ثلاثية الأبعاد مخصصة في جراحة العظام

DOI:

10.3791/68641

⸱

December 5th, 2025

Max H. Mccall¹ , Pranav Singh¹ , Benjamin R. Wesorick² , Rishin J. Kadakia¹

¹Emory Department of Orthopaedic Surgery, Emory University, ²Weill Cornell Medical College

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يوضح هذا البروتوكول سير العمل السريري والتقني لتصميم وتنفيذ الزرعات المطبوعة ثلاثية الأبعاد المخصصة في جراحة العظام، بهدف تقديم حلول جراحية مخصصة للمرضى الذين يعانون من فقدان العظام أو التشوهات المعقدة حيث تكون الزرعات القياسية غير كافية.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هدف هذا البروتوكول هو تحديد سير العمل السريري والتقني لاستخدام الزرعات المطبوعة ثلاثية الأبعاد المخصصة في جراحة العظام، خاصة في حالات فقدان العظام أو التشوه المعقد حيث تكون الزرعات القياسية غير كافية. بينما اكتسبت الطباعة ثلاثية الأبعاد تطبيقات طبية واسعة، فإن دورها في جراحة العظام يمثل تحولا خاصا للمرضى الذين يعانون من أمراض تفتقر إلى الحلول الجراحية التقليدية. توضح هذه المخطوطة العملية خطوة بخطوة، بدءا من التقييم الأولي للمريض واتخاذ القرار وصولا إلى تصميم الزرعات، وتصنيعها، والزرع الجراحي. تشمل الاعتبارات الرئيسية اختيار المرضى، ووضع توقعات واضحة، والمشاركة في التصميم التعاوني مع مهندسي الطب الحيوي لضمان ملاءمة وكفاءة الزراعة المثلى. يركز البروتوكول على الدور الحاسم للتصوير المقطعي عالي الدقة، والتصميم الدقيق بمساعدة الحاسوب (CAD)، والتقنيات المتقدمة للتصنيع مثل دمج سرير البودرة لزراعة المعادن. تناقش أيضا خطوات المعالجة اللاحقة، بما في ذلك المعالجة الحرارية، وتشغيل التفريغ الكهربائي، وتشطيب الأسطح، لتسليط الضوء على ضمان الجودة في إنتاج الزرعات. على الرغم من النتائج المبكرة الواعدة وإمكانية تحسين النتائج، لا يزال استخدام الزرعات المطبوعة ثلاثية الأبعاد محدودا بسبب ارتفاع التكاليف الأولية، ونقص بيانات النتائج طويلة الأمد، والطبيعة الفردية لكل حالة. ومع ذلك، فإن تطبيقها يقدم مزايا كبيرة في التخصيص، والتخطيط الجراحي، واستعادة الوظائف الوظيفية، مما يؤكد الحاجة إلى استمرار البحث والتحسين. يعمل هذا البروتوكول كدليل للأطباء الذين يفكرون في دمج الزرعات المطبوعة ثلاثية الأبعاد المخصصة في ممارستهم العظمية، بهدف توسيع إمكانيات العلاج للمرضى ذوي الاحتياجات المعقدة لإعادة البناء.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لقد أحدثت الطباعة ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) ثورة في جراحة العظام من خلال تمكين إنشاء أدوات مخصصة للمرضى، وزرعات مخصصة، ونماذج تشريحية قبل العملية للتخطيط الجراحي. تسمح هذه التقنية بالنمذجة السريعة والتخصيص، مما يؤدي في النهاية إلى نتائج جراحية محسنة من خلال التخطيط المسبق للجراحة وحلول جراحية مخصصة باستخدام زرعات وأدوات مخصصة. تشمل هذه التطبيقات مجالات طبية مختلفة وليس فقط جراحة العظام ^1,2. على سبيل المثال، في جراحة القلب والصدر، تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لطباعة نماذج الشرايين الرئوية للتدريب الجراحي، وفي صناعة الأدوية، تستخدم هذه التقنية لصنع أدوية ذات خصائص محددة تناسب احتياجات المرضى. ساعد توليد نماذج تشريحية مطبوعة ثلاثية الأبعاد في فهم الحالات الطبية المعقدة، ودقة التشخيص، والمحاكاة الجراحية الموجهة¹. بالإضافة إلى ذلك، فإن الإمكانات لطباعة الأعضاء - المعروفة أيضا بالطباعة الحيوية - لا تقاس وستعيد تعريف الطب الحديث.

في جراحة العظام، حسنت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل كبير القدرة على رعاية المرضى بطرق متعددة. على سبيل المثال، مكنت الطباعة ثلاثية الأبعاد الجراحين من إنشاء أطراف صناعية مخصصة للمرضى الذين تم بتر أطرافهم. هذا التخصيص للأطراف الصناعية يعزز وظيفة هذه الأجهزة، مما يقلل من المضاعفات ويحسن أوقات التعافي¹. بالإضافة إلى ذلك، تساعد النماذج التشريحية المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد الجراحين في التخطيط قبل العملية، مما يسمح بتصور ومحاكاة أفضل للإجراءات المعقدة - مما يمكن أن يحسن نتائج المرضى. ومع ذلك، كان أحد أكبر مجالات التقدم في جراحة العظام هو فائدة الزرعات المطبوعة ثلاثية الأبعاد^{المخصصة 1}. وجدت مراجعة نشرت مؤخرا على تقنية ثلاثية الأبعاد مطبوعة في جراحة العظام أن الزرعات المخصصة في إطار جراحة إعادة تجميل الركبة لها فوائد سريرية³. على الرغم من أن ذلك غير شائع، إلا أن هناك بعض أمراض العظام التي للأسف لديها خيارات جراحية محدودة للعلاج باستخدام الزرعات والأجهزة التقليدية. غالبا ما تشمل هذه الحالات مناطق من فقدان العظم أو الأنسجة الرخوة^{الكبيرة 1}^،². تحمل الطرق الجراحية التقليدية المستخدمة غالبا في هذه الحالات مخاطر مضاعفات عالية ونسب فشل عالية، وحتى عند نجاحها، غالبا ما تحمل أضرارا وظيفية مدى الحياة للمريض ^1,2,4. لقد أحدثت الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة في قدرة الجراحين على التعامل مع هذه الأنواع من الحالات وقدمت خيارات جراحية لم تكن متاحة من قبل. تسلط هذه المخطوطة الضوء على الخطوات الرئيسية المتعلقة بتصميم وتطبيق الزرعات المخصصة المطبوعة ثلاثية الأبعاد السريرية في جراحة العظام، وتناقش بعض الحالات المثالية.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

جميع المعلومات الصحية المحمية مستثنية من الصور والبيانات التي نوقشت أدناه. ومع ذلك، تم إبلاغ المرضى بالدراسة واستخدام صورهم السريرية. تم الحصول على موافقة مستنيرة. التزمت الدراسة بسياسة المؤسسة الأخلاقية.

1. لقاء المريض

حدد ما إذا كانت مرضية المريض مناسبة لزرع مطبوع ثلاثي الأبعاد مخصص.
تأكد من أن المريض يستوفي المعايير المناسبة لاستخدام الزرعات المخصصة.
1. لتلبية المعايير المناسبة، تأكد من عدم وجود زرعة قياسية متاحة تجاريا بسهولة تعالج مرض المريض بشكل كاف وتوفر نتائج وظيفية مثلى مع مخاطر جراحية منخفضة
تحسين طبي كامل.
1. تأكد من أن جميع الأمراض الطبية المصاحبة مستقرة ومدار بشكل مناسب. على سبيل المثال، يجب أن يكون لدى مرضى السكري مستوى A1c منخفض، ويجب أن يجري المرضى المصابون بأمراض القلب إجراء اختبارات القلب المناسبة لضمان سلامتهم للجراحة.
قدم المشورة للمريض/العائلة بشكل موسع حول الزرعات ثلاثية الأبعاد المخصصة، بما في ذلك الفوائد والسلبيات.
احصل على تصوير مقطعي محوسب (CT) لطرف المريض الجراحي مع المعايير المناسبة.
1. تخزين الملفات كملفات التصوير الرقمي والاتصالات في الطب (DICOM). تشمل معايير المسح الحرجة حجم البكسل 0.5 مم أو أقل وتباعد الشرائح 1.25 مم أو أقل. غير الكيلو في النقطة بين 100 و140، حسب نوع الماسح المستخدم.
2. التقط جميع التشريح المعني، مثل تشريح العظم المشوه والمجال الجراحي المحيط به في مجال رؤية الفحص، بما في ذلك كامل مقدمة القدم المصابة والجانبية المقابلة للأمام، منتصف القدم، والخلف حتى منتصف الظنبوب.

2. تصميم الزرعات

نقل تصوير المريض، مثل الأشعة المقطعية، إلى الشركة المصنعة للزرعات المخصصة مع المعلومات ذات الصلة (مثل الجانب الجانبي، الإشارة، إلخ). قم بتحميل الصور مباشرة كملفات DICOM إلى بوابة المصنعين للزرعات الإلكترونية لتقديم فحوصات الأشعة المقطعية.
تحويل تصوير المريض من شرائح الأشعة المقطعية ثنائية الأبعاد إلى نموذج ثلاثي الأبعاد للتشريح قبل العملية من خلال التقسيم، حيث يتم فصل تشريح العظم عن الأنسجة الرخوة المحيطة في برنامج نمذجة يعتمد على الشبكة مثل Materialize Mimics.
1. استيراد مسوحات DICOM إلى البرنامج.
2. قم بإنشاء قناع عظمي باستخدام نافذة العظم القياسية .
3. استخدم خوارزمية نمو المناطق لاختيار تشريح العظم وفصل كل عظمة إلى قناع خاص بها.
4. قم بإزالة أي مناطق غير عظمية مضمنة في القناع يدويا باستخدام وظيفة تحرير القناع .
5. باستخدام دالة القناع المنقسم ، يتم فصل أي عظام أخرى لم تفصل تلقائيا بواسطة خوارزمية نمو المنطقة.
6. حول القناع إلى جزء باستخدام دالة حساب الجزء .
7. تصدير كل عظمة كجزء منفرد في ملف .stl باستخدام دالة التصدير .
استورد كل ملف .stl عظمي إلى برنامج النمذجة المعتمد على الشبكة.

3. إعداد تموضع وتصميم الزرعات الأولي ضمن برنامج النمذجة المعتمد على الشبكة.

التشريح المقابل بمرآة ليتناسب مع الجانب المصاب.
قم بمحاذاة التشريح المقابل المعكوس باستخدام شبكة تعتمد على محاذاة الجانب المقابل للكسي المصاب.
تخيل الساق السليمة محاذية مع مساحة المفصل غير الصحية.
قم بتجميل/تنعيم الساق السليم باستخدام خوارزمية خاصة (restor3d) لإنشاء جسم الزرعة الأولي.
قم بضبط وضعية عظم الساق والشظية المأثرة لتعكس التغير في ارتفاع المفصل مع جسم الزرعة الناتج عن الشمنج المقابل.
أجر مكالمة تصميم زرعات مع الجراح والمهندسين لمراجعة التشريح ثلاثي الأبعاد المجزأ.
1. ناقش التشوه الطبيعي ومحاذاة التشريح المقابل.
2. ناقش زرع التالار وأي تغييرات خاصة بالمريض يجب إجراؤها.
3. ناقش حجم الزرعات (95٪، 100٪، 105٪ حجم).
4. ناقش مواقع تثبيت الأنسجة الرخوة إذا لزم الأمر.
إنهاء ملف تصميم الزرعات بمساعدة الحاسوب (CAD) باستخدام برامج متخصصة (مثل Materialise 3-matic، SolidWorks).
1. أعد تركيب زرعة التالار باستخدام ميزة إعادة الربط لتحسين حجم المثلث ونعومة الشبكة.
2. قم بتنعم أي بروز غير تشريحي، مثل النباتات العظمية، باستخدام التليين المحلي أو خيار ناعم غاوسي .
3. املأ التجاويف العظمية لزيادة قوة المادة في الزرع.
4. استخدم أدوات التنعيم المحلية لضمان تطابق الأسطح المفصلية لزرعة التالار مع الأسطح المفصلية المحيطة.
تحليل الخصائص الميكانيكية للغرسة (مثل القوة، مساحة السطح) باستخدام تحليل العناصر المحدودة أو الحسابات التحليلية. قارن الأداء المتوقع مع الأحمال الفسيولوجية المتوقعة للمؤشر السريري ومع المعايير المنشورة لمواد سبيكة الكروميوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد.
1. تأكد من أن مساحة المقطع العرضي للزرعة أعلى من الحد الأدنى لقوة المادة.

عملية الطباعة 4. 3D

تصدير ملف التصميم النهائي للزرعات كملف STL من برنامج التصميم أو أي تنسيق متوافق آخر لمدخلات التصنيع الإضافية.
تشريح
1. استيراد ملف STL إلى برنامج الطابعة ثلاثية الأبعاد الأصلي.
2. حدد اتجاه الطباعة بناء على المناطق المواجهة التشريحية الحرجة للزرعة، مع وضع الأسطح المفصلية بعيدا عن لوحة البناء.
3. قم بتوليد هياكل دعم حسب الحاجة للميزات المتدلية.
4. ابدأ عملية التقطيع داخل برنامج الطابعة وحول التعليمات إلى G-code.
الطباعة ثلاثية الأبعاد لزرعة
1. تصنيع الزرعات باستخدام تقنية الانصهار الانتقائي بالليزر (SLM) أو تقنية دمج سرير المسحوق المكافئ باستخدام مسحوق Ti-6Al-4V المتوسط جدا المتوسط (ELI).
  ملاحظة: المسطحات الطبية النموذجية لها توزيع حجم الجسيمات بين 15-45 ميكرومتر وتعالج تحت غلاف جوي من الأرجون الخامد مع الحفاظ على مستويات_{الأكسجين} 2 ≤ 1.2 جزء في المليون.
2. تطبيق معايير المسح المحسنة من قبل مصنع الطابعة (مثل أنظمة 3D)، بما في ذلك نوع الليزر، الطاقة، تباعد الفتحات، وسمك الطبقات. تشمل القيم المعروفة في الأدبيات سمك الطبقة بين 30-60 ميكرومتر، وتباعد الفتحات بين 100-120 ميكرومتر، وقوة ليزر 150-300 واط، مع تحديد الاتجاه في محور z عند الاقتضاء.
  1. استخدم مصدر حرارة (مثل ليزر الألياف أو شعاع الإلكترون) لدمج مسحوق معدني انتقائي (حجم الجسيمات 15-45 ميكرومتر) في غلاف أرجون خامل (≤ 1.2 جزء في المليون O₂)، مكينا الزرعة طبقة بطبقة على لوحة البناء.
3. التحكم في المعايير ذات الصلة، بما في ذلك كثافة طاقة الشعاع، سمك طبقة البودرة، وبيئة لوحة البناء، لضمان دقة الأبعاد والسلامة الميكانيكية.
المعالجة اللاحقة
1. قم بتنقيح خصائص الزرعات باستخدام الضغط الساخن المتساوي (HIP) للقضاء على المسامية المتبقية، وتخفيف الإجهاد، وتحسين البنية الدقيقة. تشمل الظروف النموذجية المذكورة في الأدبيات ~920 درجة مئوية عند 1000 بار لمدة 120 دقيقة في جو خامل.
  ملاحظة: قد يتم تطبيق علاجات حرارية بديلة، مثل التلدين، حسب نوع وتصميم الزرعة.
2. إزالة الزرعات من لوحة البناء باستخدام تشغيل التفريغ الكهربائي (EDM). قطع الطبقة الأساسية الرقيقة للبناء باستخدام تآكل الشرارة المسيطر عليه، مع اختيار المعايير لتقليل الضرر الحراري والحفاظ على دقة الأبعاد.
3. استخدم الأدوات اليدوية لإزالة الدعامات المستخدمة في الطباعة (دريميلز، تلميع يدوي).
4. طبق معالجات سطحية لإزالة المسحوق المتبقي، والتركيبات، وضبط الخشونة. قم بتفجير جميع الأسطح المسامية وتلميع الأسطح المفصلية يدويا.
  1. إجراء المؤكسد وفقا ل SAE AMS 2488D النوع الثاني لتعزيز مقاومة التآكل والتوافق الحيوي.
قم بإجراء فحص أبعاد للزرعة النهائية باستخدام مقياس ارتفاع وفرجار معاير. عندما تكون هناك حاجة إلى دقة أعلى، تأكد من القياسات باستخدام جهاز قياس الإحداثيات (CMM) مقابل نموذج CAD.
1. فحص التشطيب السطحي والمسامية بصريا وبالمجهر لضمان دقة الهياكل المسامية وميزات التشغيل. تأكيد أن قيم خشونة السطح (Ra) تقع ضمن مواصفات التصميم لواجهات التكامل العظمي وأجهزة القياس.
2. تحقق من الخصائص الميكانيكية من خلال اختبار تحرير القطع الذي يجرى على عينات عظم المطبوعة على نفس لوحة البناء. تخضع عينات الاختبار لاختبارات الشد للتأكد من أن القوة الميكانيكية تفي بالمعايير المنشورة ل Ti-6Al-4V ELI (أو أي سبيكة زرعات أخرى). تسجيل قياسات الأبعاد لعينات الاختبار للتحقق من دقة الطباعة.

5. الجراحة

الفحص قبل العملية
1. انظر لقاء المريض (الخطوة 1)
2. أجر استشارات ما قبل العملية حول مخاطر وفوائد العملية الجراحية.
3. احصل على موافقة مستنيرة للإجراء الجراحي.
4. قم بإجراء تقييم قبل العملية من قبل فريق التخدير إذا لزم الأمر.
الإجراء الجراحي (استبدال تالوس الكلي)
1. ضع المريض تحت التخدير العام على طاولة العمليات وثبته على الطاولة.
2. ضع حشوة مناسبة على جميع المناطق ذات البروز العظمي.
3. ضع رباط ضاغط على الطرف الجراحي.
4. ثم جهز الطرف الجراحي بعقمه وغط بالتدلي.
5. قم بإجراء وقت استراحة جراحي وفقا لسياسة المستشفى، مع تأكيد المريض المناسب، والجانب الجانبي، والإجراء.
6. أعط المضادات الحيوية قبل العملية حسب بروتوكول المستشفى.
7. استخدم النهج الأمامي للوصول إلى مفصل الكاحل، مستفيدا من الفاصل بين أوتار الهلوسة الطويلة ووتر الظنبوب الأمامي.
8. قم بسحب حزمة الأوعية العصبية جانبا بحذر وحميها طوال الإجراء.
9. حدد وفتح كبسولة مفصل الكاحل طوليا.
10. قم بإزالة التالوس الوعائي أو التالف الأصلي باستخدام شفرة المنشار، والعظمات، والرونغرز. يتم الحرص على حماية الأسطح المفصلية للعظم البعيد، والظنبوب الداخلي، والعظم العظيم.
11. بعد إزالة التالوس، استخدم المقاسات لتحديد الحجم المناسب لزرع التالار المناسب.
12. بمجرد تحديد الحجم المناسب، ضع الزرعة المطبوعة ثلاثية الأبعاد بالحجم المناسب داخل الكاحل. تأكيد الوضع المناسب من خلال التنظير الفلوري أثناء العملية والتقييم السريري.
13. ثم قم بغسل وإغلاق الجرح بطريقة متعددة الطبقات.
14. ضع ضمادات معقمة وضع المريض في جبيرة مبطنة جيدا.
بروتوكول ما بعد العملية
1. إزالة الغرز بعد 2-3 أسابيع من العملية.
2. ابدأ جلسات تحمل الوزن بعد 8-12 أسبوعا من العملية، حسب الحالة.
  ملاحظة: تحمل الوزن الأولي يكون في الحذاء الحذائي ثم الانتقال إلى الحذاء العادي خلال عدة أسابيع. العلاج الطبيعي اختياري لكنه موصى به لتدريب المشي وتحسين الحركة.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

بشكل عام، تكون النتائج التمثيلية طويلة الأمد للطباعة ثلاثية الأبعاد في جراحة العظام محدودة بسبب صغر حجم العينة وقصر الوقت الذي استخدمته الطباعة ثلاثية الأبعاد في الطب. هناك بعض البيانات التمثيلية المتاحة في الوقت الحالي.

فيما يلي ثلاثة أمثلة لمرضى عولجوا بزرعات مطبوعة ثلاثية الأبعاد، مع خيارات بديلة قليلة لمشاكل في العيوب العظمية الكبيرة أو أمراض المفاصل المدمرة. تم تصميم جميع الزرعات باستخدام البروتوكول الذي نوقش أعلاه.

المريض 1

رجل يبلغ من العمر 43 عاما يعاني من تاريخ مزمن من ألم الكاحل الأيسر. تعرض المريض الأول لكسر في الرقبة في التالا تم علاجه بدون جراحة قبل أكثر من عشر سنوات. تظهر الأشعة والتصوير المقطعي المحوسب المعروض في الشكلين 1 و2 نخر الأوعية الدموية التالا مع تصلب كبير وتجزئة في الساق. أسطح المفاصل المجاورة محفوظة جيدا - لكن التالوس يظهر تفككا كبيرا وتصلب يتوافق مع نخر الأوعية الدموية المتقدمة في التلار. تمت مشاهدة المريضة في منشأة خارجية وعرضت عليها إجراء لدمج مفاصل تحت الرخب والكاحل. يبلغ المريض أن مدى الحركة الكامل مطلوب ليتمكن من ارتداء بعض الأحذية في العمل، ولا يمكن للمريض إجراء دمج مفصل الكاحل. عند مناقشة الخيارات مع المريض، ناقشنا أن البديل هو تالوس كامل مطبوع ثلاثي الأبعاد مخصص. هذا خيار جراحي أحدث نسبيا بدون بيانات طويلة الأمد؛ ومع ذلك، يسمح هذا الخيار بالحفاظ على مفاصله ونطاق حركته. ناقشنا بشكل موسع المخاطر المرتبطة بهذا الإجراء ونقص البيانات طويلة الأمد. ومع ذلك، أعرب المريض لنا عن أن الدمج غير خيارا. بعد نقاش مطول، اختار المريض المضي قدما في استبدال تالوس إجمالي مطبوع ثلاثي الأبعاد مخصص. في حالة هذا المريض، اخترنا استخدام سبيكة تيتانيوم لمادة الزرع. هذه المادة لها خصائص بيوميكانيكية مشابهة للعظم الأصلي وتتمتع بخصائص تآكل مثالية لتقليل خطر تلف الغضروف المحيط.

تم تصميم التالوس ليعكس التالوس المقابل للمريض، وهو أمر طبيعي بدون مرض. التصوير بعد العملية الذي تم الحصول عليه في موعده بعد العملية عند الأسبوع السادس موضح في الشكل 3. يبلغ المريض أنه يمشي بشكل جيد بعد العملية، دون ألم، وأظهر تحسنا في مستواه الوظيفي. أفاد المريض أن نطاق حركته قد ازداد بعد العملية، ولديه حوالي 10 درجات من الانثناء الظهري مع 35 درجة من ثني الأخمص.

المريض 2

امرأة تبلغ من العمر 20 عاما تعاني من ألم في القدم اليسرى وتورم ثانوي ناتج عن ورم خلوي عملاق معروف في أول مشط مشط. تم علاج المريض في البداية بصحن وزراعة عظم - وهي إجراء يتضمن كشط الورم واستبداله بمادة عظمية. أظهرت الأشعة والتصوير المقطعي المحوسب (الشكلان 4 و5) آفة متوسعة لذلية مركزة داخل مشط الشط الأول، متوافقة مع ورم الخلايا العملاقة المثبتة بعد الخزعات. بسبب الأعراض المستمرة مع النشاط وتفاقم ارتداء الأحذية، رغب المريض في إجراء استئصال جراحي لمشط القدم بالكامل. جربت في الماضي إجراءات أقل توغلا ومحلية لكنها لم تنجح. الاستئصال الجراحي لمشط المشط هو إجراء كبير، والتحدي يكمن في إعادة بناء المنطقة المستبعدة.

أثناء لقائنا مع المريضة، ناقشنا خياراتها، والتي شملت استبدال عظم مشط القدم بالكامل بعظم مطبوع ثلاثي الأبعاد أو استخدام عظم مأخوذ من ساقها، والذي سيكون بمثابة ترقيع ذاتي للشظية. ناقشنا مخاطر زراعة الشظية، بما في ذلك مضاعفات موقع الطعم وارتفاع خطر عدم التشابك. خيار آخر هو بتر جزئي لقدمها، وهو أمر لم تكن مهتمة به. بعد مناقشات مطولة مع المريضة وعائلتها خلال عدة زيارات، قررت المضي قدما في زرع مخصص مطبوع ثلاثي الأبعاد. يمكن لقفص مشط القدم المخصص الحفاظ على طول المريض وتشريحه، ويوفر بنية أكثر قوة ميكانيكية من الطعم الذاتي، ولا يحمل مضاعفات موقع المتبرع المرتبطة بحصاد الشظية الحر. التصاميم قبل العملية التي تم إنشاؤها من خلال مكالمة التصميم مع المهندسين موضحة في الشكل 6. تم إجراء هذا الإجراء مع فريق أورام العظام لضمان إجراء الاستئصال بشكل مناسب. تظهر صور الزرعة في يوم الجراحة في الشكل 7. مثل المريض 1، المادة المختارة هي سبيكة تيتانيوم، وهي مشابهة في خصائصها البيوميكانيكية لعظم القشر.

بعد العملية، تم إبقائها غير قادرة على تحمل الوزن لمدة 12 أسبوعا. بدأت تحمل الوزن في الأسبوع 12 وهي ترتدي حذاء وتقدمت تدريجيا للخروج من الحذاء بعد 4 أشهر. أظهر تصوير الأشعة بعد العملية (الشكل 8) بعد الجراحة بعد 3 أشهر عدم وجود دليل على فشل في الأجهزة مع بعض التكامل العظمي في زرعتها. في زيارتها التي استمرت 6 أشهر، كانت قد توقفت تماما عن الحذاء وبدأت أنشطتها منخفضة التأثير. أظهر التصوير المقطعي المقطعي الذي أجري خلال الزيارة التي استمرت 6 أشهر أن الزرعة لديها تلامس عظمي جيد واستقرار مع بعض دمج العظم على الزرعة (الشكل 9). لقد مضى عليها أكثر من عام من الجراحة وهي تمشي بدون ألم وهي ترتدي حذاء عادي.

المريض 3

امرأة تبلغ من العمر 34 عاما تعاني من ألم مزمن في الكاحل الأيمن لمدة 7 سنوات ناتج عن نخر العظم وانهيار قبة التالار. تظهر صور الأشعة قبل العملية في الشكل 10. كما أظهرت أدلة على نخر عظمي في البلافون الظنبوبي والجسم الكسي مع تعرق عظمي واضح في مفصل الظنبوب وتحت الخصم. كان يعتقد أن هذا ثانوي لاستخدام الستيرويد المزمن عالي الجرعة خلال فترة الاستشفاء الطويلة في الماضي.

بشكل عام، كانت محدودة بشكل كبير في أنشطتها اليومية بسبب الألم المزمن في الكاحل الأيمن. حاولت إدارة تحفظية من خلال العلاج الطبيعي المطول، وتعديلات على النشاط، وأدوية الألم التي وصفها مقدم الرعاية الأولية. ناقشنا خياراتها الجراحية نظرا لاستمرار أعراضها. استنادا إلى تصويرها، ناقشنا أن دمج الكاحل المعزول لن يكون خيارا جيدا لها، نظرا لانهيار الكاحل والتهاب المفاصل تحت الكاحل. ناقشنا أن أفضل حل جراحي هو التهاب المفاصل الظنبوبي الموضعي (TTC). ومع ذلك، التحدي في حالتها هو فقدان ارتفاع المفصل بشكل كبير بسبب انهيار التيلار، وأيضا الفراغ العظمي الكبير الذي سيبقى بعد استئصال عظم التالار غير الصحي. يمكن إجراء الزراعة الهيكلية باستخدام طمع رأس الفخذ؛ ومع ذلك، هناك معدلات مرتفعة من هبوط الطعم وفشل الطعم تم الإبلاغ عنها في الأدبيات. علاوة على ذلك، من الصعب ضمان استعادة طولها لأن الطراف قد يكون من الصعب تشكيله بشكل مناسب وقد لا يناسبه تماما. خيار آخر هو قفص مخصص مطبوع ثلاثي الأبعاد. يمكن للقفص المعدني الحفاظ على الارتفاع والتشريح دون خطر هبوط الطعم، وهو بناء قوي ميكانيكيا. بعد نقاش مطول، قررت المضي قدما في عملية TTC باستخدام هيكل قفص مخصص مطبوع ثلاثي الأبعاد. مرة أخرى، القفص مصنوع من سبيكة تيتانيوم، التي لها خصائص بيوميكانيكية مشابهة للعظم. يتم اختيار هذا لمحاكاة البيئة البيوميكانيكية الطبيعية لنمو العظام في القفص. التصوير بعد العملية بعد الجراحة بعد 3 أشهر موضح في الشكل 11. تم استعادة ارتفاع مفصل كاحلها مع الزرع، وهناك تكامل عظمي جيد عند واجهة الزرعة والعظم.

تم إبقائها غير قادرة على تحمل الوزن لمدة 12 أسبوعا. ثم بدأت تمشي بحذاء وانتقلت إلى العرض بعد 4 أشهر. بحلول عمر 6 أشهر، كانت المريضة تمشي بلا ألم وعند متابعة سنة واحدة لم تعاني من عجز وظيفي بسبب كاحلها. لم تعد مقيدة بالكاحل وأصبحت أكثر نشاطا مما كانت عليه قبل العملية.

figure-results-1
الشكل 1: أشعة سينية قبل العملية للمريض 1. (أ، ب) الموت قبل العملية (أ) والأشعة السينية الجانبية (ب) للكاحل الأيسر للمريض 1. تظهر الأشعة نخر وعائي علوي مرتفع مع تصلب وتجزئة في الشاحنة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-2
الشكل 2: تصوير مقطعي قبل العملية للمريض 1. (A-C) تصوير مقطعي محوري قبل العملية (A)، السهمي (B)، وتصوير التاجي (C) للكاحل الأيسر للمريض 1. يظهر تصوير الأشعة المقطعية نخر الأوعية الدموية الصلصية مع تصلب وتجزئة في التالوس. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-3
الشكل 3: أشعة سينية بعد العملية للمريض 1. (A,B) أشعة سينية بعد العملية AP (A) وصور الكاحل الأيسر للمريض 1 تم أخذها في موعد بعد 6 أسابيع من العملية. تظهر الأشعة التي أجريت في الأسبوع السادس محاذاة ووضع الغرسة الصحيحة للشحنة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-4
الشكل 4: أشعة سينية قبل العملية للمريض 2. (أ، ب) أشعة سينية تحمل الوزن قبل العملية (أ) وأشعة سينية جانبية (ب) لقدم المريض اليمنى للمريض 2. تظهر الأشعة وجود آفة عظمية كبيرة ممتدة في مشط القدم الأول. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-5
الشكل 5: التصوير المقطعي المقطعي قبل العملية للمريض 2. (A-C) جروح الأشعة المحوسبة قبل العملية (A)، السهمية (B)، والإكليل (C) في قدم المريض اليمنى للمريض 2. يظهر التصوير المقطعي للمريض وجود الآفات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-6
الشكل 6: تصاميم الزرعة قبل الطباعة ثلاثية الأبعاد. هذه أمثلة على مرحلة تصميم الزرعة، حيث يقوم المهندسون بإنشاء مخططات للزرعة باستخدام تصوير المريض بالأشعة المقطعية. الزرعة مثبتة على رأس مشط القدم بواسطة براغي توضع داخل الزرعة. يتم تثبيت الزرعة على الشكل المسماري الإنسي بواسطة عارضة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-7
الشكل 7: صور سريرية لأحجام الزرعات الثلاثة. هناك ثلاثة أحجام مطبوعة للعلبة، كل منها يحتوي على اختلاف 5٪ في الحجم. السبب في ذلك هو أخذ أي تباين واختلاف أثناء العملية في التصوير المقطعي بالنسبة لتشريح المريض الفعلي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-8
الشكل 8: أشعة سينية بعد العملية للمريض 2. (A,B) الأشعة السينية بعد تحمل الوزن AP (A) والأشعة السينية الجانبية (B) للمريض 2. تظهر الأشعة المأخوذة بعد ثلاثة أشهر من العملية وجود الأجهزة في المكان المناسب مع محاذاة جيدة وتوازن عظمي جيد بين الزرعة والعظم الأصلي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-9
الشكل 9: التصوير المقطعي المقطعي بعد العملية للمريض 2. (A,B) يظهر التصوير المقطعي المقطعي بعد العملية التصوير السهمي (A) والتصوير المحوري (B) وجود أجهزة مستقرة وتوازن عظمي جيد عند واجهة العظم مع الزرع، مع تكوين العظم ودمج الزرعة مع العظم الأصلي. تم إجراء هذا التصوير المقطعي بعد 6 أشهر من العملية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-10
الشكل 10: صور أشعة قبل العملية للمريض 3. (أ، ب) تصوير شعاعي قبل العملية للكاحل الأيمن للمريض 3. يعاني المريض من انهيار كبير في الكاحل والتهاب المفاصل تحت المفصل. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-11
الشكل 11: صور أشعة بعد العملية للمريض 3. (A,B) صور أشعة AP (A) وتصويرات الأشعة الجانبية (B) بعد العملية للكاحل الأيمن للمريض 3. تظهر الصور الشعاعية التي تم الحصول عليها في متابعة المريض التي استمرت 6 أشهر أن الأجهزة في مكانها مع تطور عظمي جيد في مواقع الاندماج. تم استعادة ارتفاع مفصل كاحلها. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الزرعات المطبوعة ثلاثية الأبعاد المخصصة في جراحة العظام ليست شائعة؛ ومع ذلك، تظهر فائدتها في القضايا الطعن في الحالات المذكورة أعلاه. بالنسبة لهؤلاء المرضى، بدون طباعة ثلاثية الأبعاد، الحلول الجراحية محدودة جدا، وحتى أفضل الخيارات المتاحة تحمل عواقب عالية المخاطر والوظيفية. هناك العديد من الخطوات المهمة التي يجب أخذها في الاعتبار أثناء تصميم الزرعات المخصصة. الأول والأهم هو ما إذا كانت الحالة مناسبة للزرعات المخصصة. يتطلب ذلك التفكير العميق في جميع البدائل وإيجابياتها وعيوبها. من المهم إشراك المريض وعائلته في هذه المناقشات. الزرعات ثلاثية الأبعاد المخصصة أحدث مع أدبيات محدودة، ومن الضروري تثقيف المرضى حول طبيعتها التجريبية.

الخطوة الثانية الأكثر أهمية في العملية هي تصميم الزرع. يجب على الجراح أخذ عدة عوامل في الاعتبار، منها حجم الزرع، النهج الجراحي، الأدوات اللازمة لوضع الزرع، والأهداف الجراحية. يشمل ذلك استشارة الجراحين الذين لديهم خبرة في الطباعة ثلاثية الأبعاد، بالإضافة إلى العمل مع المهندسين في قرارات التصميم لإنشاء تصميم الزرعة. بمجرد بدء إنتاج الزرعات، يكون هناك مجال محدود للتعديل؛ لذا، فإن مرحلة التصميم حاسمة.

على الرغم من الإمكانيات الواعدة للطباعة ثلاثية الأبعاد في جراحة العظام، إلا أن هناك عدة تحديات لا تزال قائمة. من القيود الكبيرة التكلفة العالية المرتبطة بالتقنية. تتراوح تكلفة الزرعات بين 14,000 إلى 20,000 دولار لزرعاتنا، حسب تعقيد الحالة. ومع استمرار تطور تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، من المتوقع أن تنخفض تكاليف الإنتاج^{مع مرور الوقت}. قيد رئيسي آخر هو نقص البيانات طويلة الأمد حول النتائج. قامت دراسة استعادية نشرت مؤخرا ومتعددة المراكز بتقييم سلامة بدائل التالوس المطبوعة ثلاثية الأبعاد لعلاج نخر الأوعية الدموية⁴. في دراستهم، كان لديهم ما مجموعه 15 مريضا لديهم متابعة لمدة لا تقل عن سنة واحدة، ووجدوا أن النتائج المبكرة كانت واعدة مع نتائج جيدة. أظهر آدامز وآخرون نتائج آمنة مماثلة مع أقفاص مطبوعة ثلاثية الأبعاد لمعالجة عيوب عظمية كبيرة⁵. في دراستهم، قارنوا ثمانية مرضى خضعوا لجراحة مع قفص مخصص مع سبعة خضعوا لجراحة بعظم جثة كبير. ^قام كاداكيا وآخرون بتقييم نتائج تجميل المفصل الكلي في 22 مريضا على مدى عامين. لاحظوا تحسينات وظيفية كبيرة مع المتابعة قصيرة الأمد. ومن المثير للاهتمام أن هناك بعض الدراسات التي تقيم النتائج طويلة الأمد بعد تجميل المفصل الكامل في الكاسي من مراكز في اليابان. في هاتين الدراستين، أجروا متابعة بعد العملية لأكثر من 10 سنوات ووجدوا أن المرضى حققوا نتائج جيدة أبلغت عنها المريض بعد استبدال كامل للتالوس أو مجرد استبدال جسم تالا ^7,8. من المهم ملاحظة أن هذه الزرعات لم تكن مخصصة أو مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد، بل كانت خزفية؛ لذا، لا تترجم هذه البيانات إلى البدائل الكلية الحالية للتالوس المعدنية والمخصصة. ومع ذلك، من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن هذا الإجراء والمفهوم موجودان منذ فترة طويلة، لكنهما أصبحا أكثر شيوعا في الاستخدام لعلاج أمراض التالار الشديدة. على الرغم من أن تركيز هذه المخطوطة كان على حالات الأطراف السفلية، إلا أن تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد في جراحة العظام توسعت لتشمل العديد من التخصصات الفرعية². يمكن أن يكون لكسور العظم البعيد المتوحد عواقب وظيفية خطيرة للمرضى، وعمليات تصحيح العظم اللازمة لتصحيح هذا التشوه صعبة جدا بسبب كثرة مستويات التصحيح التي يجب أخذها في الاعتبار. وينطبق الأمر نفسه على كسور الساعد التي تلتئم بشكل غير صحيح، حيث توجد قوى دوران يجب أخذها في الاعتبار. وجدت عدة دراسات منشورة حديثا أن أدلة القص المطبوعة ثلاثية الأبعاد المخصصة والأجهزة يمكن أن تساعد في هذه الحالات الصعبة لتصحيح التشوهات في الأطراف العلوية ^9,10.

من المهم ملاحظة أنه رغم النتائج الواعدة للزرعات المطبوعة ثلاثية الأبعاد المخصصة والأجهزة، فإن الدراسات المنشورة مؤخرا تحتوي على عينات صغيرة جدا مع متابعة قصيرة الأمد⁶^،⁷^،⁸. قلة من الدراسات أظهرت النتائج طويلة الأمد للزرعات المطبوعة ثلاثية الأبعاد، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث لتقييم متانتها وفعاليتها على المدى الطويل. يمكن عزو بعض ذلك إلى أن هذه التقنية حديثة نسبيا وأن الأمراض المشار إليها للطباعة ثلاثية الأبعاد ليست شائعة. بالإضافة إلى ذلك، وبسبب الطبيعة القابلة للتخصيص العالية لهذه الزرعات، فإن تعميم النتائج على الحالات المختلفة يعد تحديا كبيرا.

على أي حال، فإن الفوائد المحتملة للطباعة ثلاثية الأبعاد واضحة من خلال الأمثلة السابقة والأدبيات المتاحة. واحدة من أكثر المزايا إثارة هي القدرة على تقليد تشريح الإنسان بطرق فريدة كانت مستحيلة سابقا. يسمح التخصيص بتخصيص الزرعات بدقة تناسب المرضى بشكل فردي، مما يتيح مطابقة مباشرة للحاجة الجراحية. مع التقدم المستمر في تقنيات التصوير المقطعي المحوسب والطباعة ثلاثية الأبعاد، أصبحت الزرعات أكثر دقة ومتانة وفعالية من حيث التكلفة ^1,2.

بشكل عام، لا تزال الطباعة ثلاثية الأبعاد تقنية سريعة التطور، وتوفر مجموعة متزايدة من الإمكانيات في جراحة العظام. مع نضوج التكنولوجيا، قد تشمل التطبيقات المستقبلية تطوير هياكل أكثر تعقيدا وترابطا. مع اكتساب الكفاءة في زراعة العظم الواحد والمفاصل، الخطوة المنطقية التالية هي استكشاف إنشاء زرعات أكثر تعقيدا متعددة المكونات. بينما تستخدم الزرعات الحالية بشكل رئيسي سبائك معدنية متوافقة حيويا، فإن خطوة رئيسية أخرى في الطباعة ثلاثية الأبعاد تشمل ابتكارات مستقبلية في إعادة بناء الأنسجة الرخوة، مثل الطباعة الحيوية لإنشاء الغضروف¹¹. الطباعة ثلاثية الأبعاد هي مجال تقني مثير يتطور باستمرار، وسيستمر تطبيقها في جراحة العظام في النمو والتكيف مع تغير هذه التقنية.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لا يوجد لدى المؤلفين إفصاحات ذات صلة أو تضارب مصالح.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لا توجد مصادر تمويل إضافية للاعتراف بذلك.

Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
زرع قفص تيتانيوم مشطي	ريستور3D	https://www.restor3d.com/	زرع مخصص؛ سبيكة التيتانيوم (Ti-6Al-4V)
زرعة قفص التيتانيوم الكروي	ريستور3D	https://www.restor3d.com/	زرع مخصص؛ سبيكة التيتانيوم (Ti-6Al-4V)
استبدال تالوس الكلي	ريستور3D	https://www.restor3d.com/	زرع مخصص؛ سبيكة التيتانيوم (Ti-6Al-4V)

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wixted, C. M., Peterson, J. R., Kadakia, R. J., Adams, S. B. Three-dimensional printing in orthopaedic surgery: current applications and future developments. J Am Acad Orthop Surg Glob Res Rev. 5 (4), e20.00230-11(2021).
Aimar, A., Palermo, A., Innocenti, B. The role of 3D printing in medical applications: a state of the art. J Healthc Eng. 2019, 5340616(2019).
Qu, Z., Yue, J., Song, N., Li, S. Innovations in three-dimensional-printed individualized bone prosthesis materials: revolutionizing orthopedic surgery: a review. Int J Surg. 110 (10), 6748-6762 (2024).
Abar, B., et al. Initial safety of total talus replacement used to treat talar avascular necrosis. Foot Ankle Int. 45 (11), 1258-1265 (2024).
Steele, J. R., Kadakia, R. J., Cunningham, D. J., Dekker, T. J., Kildow, B. J., Adams, S. B. Comparison of 3D printed spherical implants versus femoral head allografts for tibiotalocalcaneal arthrodesis. J Foot Ankle Surg. 59 (6), 1167-1170 (2020).
Kadakia, R. J., Akoh, C. C., Chen, J., Sharma, A., Parekh, S. G. 3D printed total talus replacement for avascular necrosis of the talus. Foot Ankle Int. 41 (12), 1529-1536 (2020).
Taniguchi, A., et al. An alumina ceramic total talar prosthesis for osteonecrosis of the talus. J Bone Joint Surg Am. 97 (16), 1348-1353 (2015).
Harnroongroj, T., Harnroongroj, T. The talar body prosthesis: Results at ten to thirty-six years of follow-up. J Bone Joint Surg Am. 96 (14), 1211-1218 (2014).
Raad, F., Harmsen, K., Beeres, J. P., Schep, N. W. Outcome of corrective osteotomies of the distal radius using three-dimensional-printed patient-specific implants. J Hand Surg Eur Vol. , (2025).
Schindele, S., Oyewale, M., Marks, M., Brodbeck, M., Herren, D. B. Three-dimensionally planned and printed patient-tailored plates for corrective osteotomies of the distal radius and forearm. J Hand Surg Am. 49 (3), 277.e1-277.e8 (2024).
Pantermehl, S., et al. 3D printing for soft tissue regeneration and applications in medicine. Biomedicines. 9 (4), 336(2021).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

زرعات مطبوعة ثلاثية الأبعاد مخصصة في جراحة العظام

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles