研究背景距骨是一块形状不规则的骨,是连接下肢和足部关键的骨性结构。因为距骨独特的解剖特征、缺乏血液供应的特性,所以距骨骨折易发生缺血性骨坏死,严重的情况可能会导致距骨塌陷。塌陷性缺血性距骨坏死（TNC）将严重影响患者站立及行走,致残率为100%。既往治疗的金标准是以牺牲踝关节功能为代价的全踝关节融合术（包括融合胫骨-距骨-跟骨的三关节融合术或单纯的胫骨-距骨融合术）,该术后易导致邻近关节（胫距关节、距下关节、距舟关节）的退变、关节僵硬、足柔韧性丢失等并发症,临床效果无法满足患者的运动要求。近年来,随着人工关节假体铸造技术的发展以及3D打印技术在骨科领域的推广及应用,三维打印（3D Printing）的个性化人工假体（AP）为治疗距骨塌陷性坏死带来了新方法。传统的三维打印距骨假体仅具有简单承重功能（与髋关节、膝关节假体类似,并非为患者定制化设计打印）,假体结构、摩擦界面、表面涂层材料均不能满足正常距骨所具备的生物学功能需求。前期研究基础上,本团队设计了具有生物学功能的个性化三维打印距骨假体,通过多学科（中科院物构所、金属所、理化所、化学所、中科康钛材料公司、威高亚华人工关节开发公司）交叉融合,多种关键技术联合攻关,增强了距骨假体结构的材料刚度、韧性和抗疲劳等性能,满足了既往的非定制化距骨假体未曾达到的假体植入的生物力学要求。国内外目前已有关于距骨假体置换治疗距骨疾病的手术报道。铸造假体过程及手术适应症基本相似,假体固定方式有所不同,部分研究使用螺钉固定距骨假体,部分未固定假体。关于不同全距骨假体的固定方式尚无任何生物力学的研究报道。距骨假体与周围固定方式影响距骨的即刻稳定性,对于患肢功能康复等临床效果均有非常重要的意义。有限元分析（FEA）是以数字模型模拟肌骨系统生物力学的研究方法,近年来在骨科领域获得了广泛应用,有效地反映某一区域的力学特性,对生物体不会造成损伤是其最大的优点,且可得到实体实验（尸体、模具）所难以得到的研究结果。针对距骨塌陷性坏死的临床治疗。我们首次采用有限元分析3D打印假体的生物力学表现,提供了更贴近临床实际情况的力学模拟。为了研究植入假体前后,足踝部生物力学的改变,本研究首次结合踝关节的运动力学和步态周期（GC）的理论,以模拟临床实际情况。通过测算距骨假体在步态周期中的受力方向,分析距骨假体脱位的风险因素及手术治疗的操作细节。研究目的:1.探讨个性化三维打印距骨假体治疗塌陷性距骨坏死的在初期的临床治疗效果。2.构建有限元模型,模拟距骨假体植入后使用不同固定方式的生物力学特性,进行一系列生物力学模拟测试,比较不同固定方式的稳定性,并初步探讨距骨的自稳定性。方法:1.回顾性分析2016年3月至2019年8月陆军军医大学第一附属医院运动医学中心收治的8例采用个性化三维打印距骨假体进行假体置换治疗的严重距骨塌陷性坏死患者的临床资料。患者均为男性,平均年龄38.0岁（范围:22～65岁）。左侧距骨塌陷5例,右侧3例,病程29.7周（范围:6～96周）。采集对侧健康距骨骨性CT数据进行镜像设计,采用电子束三维打印技术制备假体。距骨体部假体采用钛合金材料（Ti6Al4V）,胫距关节距骨侧关节面假体采用钴铬钼合金材料（Co‐Cr‐Mo）,并对距下关节面进行微孔处理。术前通过数字化三维有限元分析（FEA）与实体对比,测量假体的解剖匹配性。术中以踝正中长切口,完整取出塌陷坏死距骨,植入距骨假体。患者术后3、6、12月于我科门诊复查。收集术前/后的踝关节活动范围、影像学数据、疼痛视觉模拟评分（VAS）和美国足踝外科学会（AOFAS）踝‐后足评分及术后足底压力（Plantar pressure）分布相关参数。多次测量资料的比较采用重复测量方差分析,两两比较采用配对样本t检验。2.基于拟行全距骨假体置换术患足的三维CT重建扫描数据（已获患者知情同意）,利用有限元分析软件（Mimics13.0、Geomagic 10.0）对足踝骨骼、韧带等组织进行有限元重建,导入建模设计软件（Hypermesh 10.0）进行网格划分,参考以往文献赋予模型中组织属性,最后导入建模软件（Abaqus 6.9）中,将螺钉数据分别导入不同模型,构建不同固定方式的有限元模型（包括使用螺钉固定假体于距舟+距下关节,仅使用螺钉固定假体于距下关节,不使用螺钉固定距骨假体）。在模型中加载不同方向、大小的载荷,模拟步态过程中3个位相（落地相、中立相、离地相）受力状况,分析其生物力学机制,测量距骨或假体周围关节面的压力变化情况、距骨或假体的微动情况和踝关节的活动度。结果:一、所有患者的距骨假体解剖结构与对侧健康距骨完全一致,适配性良好,切口均Ⅰ期愈合,无手术相关并发症发生,术后随访23.2个月（范围:12～48个月）。1.患者术前踝关节背伸角度为（7.6±5.7）°,术后12月为（14.2±6.6）°（t=-2.67,P=0.03）;术前踝关节跖屈角度为（22.0±9.9）°,术后12月为（29.2±8.7）°（t=-8.95,P＜0.01）。2.术前疼痛视觉模拟评分为[M（QR）]3.0（0.8）分,术后3个月2.5（1.0）分,术后6个月1.5（1.0）分,术后12月1.0（1.0）分（F=20.0,P＜0.01）。3.术前AOFAS踝‐后足评分（26.3±6.6）分,术后3月（70.1±2.2）分,术后6月（76.0±3.4）分,术后12月（79.3±4.2）（F=56.81,P＜0.01）。4.末次随访时,患者影像学检查均示假体位置稳定,无下沉迹象,无需行二期踝关节融合或翻修术,距骨高度为（34.6±3.5）mm,与术前高度（27.6±6.0）mm的差异有统计学意义（t=2.94,P=0.02）.5.健侧足底压力为（350.6±29.6）N,最大压力为（629.9±26.1）N、患侧的足底压力为（212.3±9.7）N,最大压力为（521.4±14.4）N;健侧前、后足负荷分别为（38.1±2.8）%、（24.6±2.5）%,患侧分别为（11.5±2.0）%、（21.1±1.8）%。二、建立全足的三维有限元模型,经验证（重复以往研究实验获取数据）真实可靠。经有限元分析得出的生物力学结果可知:1、螺钉固定组在不同步态时相中主要表现胫距关节面压力升高以及融合关节面的压力减少和关节微动的下降,最终导致踝关节活动受限。2、不使用螺钉固定组各项指标与正常情况几乎一致结论:1.个性化三维打印距骨假体能恢复正常距骨的解剖以恢复踝关节的活动功能,减轻患者疼痛及提高患者生活质量,早期临床疗效较好,对于足底压力的影响主要在于健侧负重增加和患侧重心后移。2.本研究中创建的三维有限元模型,经验证是一个准确可靠的模型,几种不同固定方式经有限元模型分析生物力学机制存在一定差异,最接近正常情况的是不使用螺钉固定假体的方式。