3D打印醫(yī)用金屬植入體

供稿|余冬梅，魏星輝，吳昊，劉沂朝，李小康，郭征 /

戰(zhàn)爭創(chuàng)傷、車禍、疾病等造成的人體骨骼缺損或缺失等，一般的修復(fù)產(chǎn)品往往無法進行治療，而是需要個性化定制植入物進行修復(fù)。3D打印醫(yī)療化產(chǎn)品推動了我國醫(yī)療技術(shù)不斷升級，也是我國進入創(chuàng)新中國和健康中國新時代的標志。個體化3D打印技術(shù)制備的臨床醫(yī)用產(chǎn)品革新并升級了傳統(tǒng)臨床手術(shù)，甚至對傳統(tǒng)植入體和器械應(yīng)用具有顛覆式的替代作用。數(shù)字化已成為醫(yī)療行業(yè)的核心關(guān)鍵詞之一，而3D打印技術(shù)作為數(shù)字化制造的典型代表，與臨床診療、創(chuàng)傷修復(fù)、臨床醫(yī)用產(chǎn)品加工的數(shù)字化升級過程相融合，形成了3D打印輔助診斷、設(shè)計、制造和治療全數(shù)字化流程的串聯(lián)閉環(huán)。此外，全面數(shù)字化是國際醫(yī)療行業(yè)和臨床醫(yī)用產(chǎn)品加工領(lǐng)域的穩(wěn)定發(fā)展趨勢。

3D打印醫(yī)用金屬植入體

青少年(10～25歲)是惡性骨腫瘤易發(fā)的時期。這一時期骨骼生長發(fā)育旺盛，骨細胞高速活躍，增長過快就容易引起細胞突變。骨肉瘤是骨科較常見的原發(fā)惡性骨腫瘤，大多發(fā)病于股骨、脛骨、肱骨和膝關(guān)節(jié)，而頭骨、頜骨或骨盆等則相對稀少。骨肉瘤持續(xù)“破壞蠶食”骨質(zhì)，患者會出現(xiàn)疼痛、關(guān)節(jié)活動能力范圍受限(蹲不下、手臂抬不起等)，輕微外力易致骨折等，還可能出現(xiàn)不明原因的發(fā)燒。需要注意的是骨肉瘤與生長期疼痛、滑膜炎或肌肉拉傷容易混淆。

骨肉瘤傳統(tǒng)的治療方式是截肢術(shù)，但患者術(shù)后長期存活率低且伴隨肢體功能障礙。而保肢手術(shù)如3D打印技術(shù)在輔助骨腫瘤精準切除、定制化修復(fù)骨缺陷以及個體化假肢設(shè)計和安裝方面獨具優(yōu)勢，顯著提高了骨腫瘤的治療水平，能夠恢復(fù)肢體的外形與功能。例如，在徹底切除撓骨骨腫瘤病灶后，根據(jù)CT等影像學獲取的數(shù)據(jù)，個體化定制的3D打印腕關(guān)節(jié)最大可能保留了患肢功能(圖1)，同時也體現(xiàn)出了醫(yī)工結(jié)合的定制化理念。

圖1 (a)術(shù)前假體設(shè)計及(b)3D打印腕關(guān)節(jié)假體(資料來源于西京醫(yī)院)

3D打印金屬肱骨

肱骨近端骨腫瘤完整切除后，3D打印肩關(guān)節(jié)假體進行保肢手術(shù)，量身定制的肩關(guān)節(jié)假體完美匹配缺損部位(圖2)，最大限度復(fù)原骨頭，術(shù)后上肢絕大部分功能正常，前臂手指活動自如。

圖2 3D打印肩關(guān)節(jié)模型(a)及假體(b)

3D打印金屬胸骨和肋骨

胸骨是胸廓的核心組成部分，上接鎖骨，下接肋弓，左右兩側(cè)包含七對肋骨。胸骨不僅維持胸廓穩(wěn)定，保持呼吸運動協(xié)調(diào)，同時也是保護心臟及大血管的重要屏障。若沒有合適的材料和結(jié)構(gòu)替代被切除的胸骨，胸廓的穩(wěn)定性也將隨之被破壞，影響患者的呼吸和胸廓外形。切除原發(fā)性胸骨腫瘤后利用3D打印胸骨假體精準適配修復(fù)缺損部位，重建胸骨結(jié)構(gòu)和功能(圖3)。個體化3D打印胸骨可構(gòu)建完整胸廓結(jié)構(gòu)，保護內(nèi)部臟器，恢復(fù)肢體外觀。個體化3D打印鈦合金胸骨假體，在滿足其承載力的情況，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效減重，胸骨假體質(zhì)量(98.3 g)只占該部位切除腫瘤質(zhì)量(665 g)的15%，實現(xiàn)了輕便化高強度的植入體定制。

圖3 個體化3D打印鈦合金胸骨假體及其質(zhì)量

因胸壁腫瘤切除而造成的胸骨與鄰近肋軟骨缺損，胸壁重建在功能和外觀上面臨著巨大挑戰(zhàn)，而“量身定制”的3D打印鈦合金“鎧甲”(肋骨板)重塑了胸廓的完整性和穩(wěn)定性以及胸膜腔的密封性(圖4)，恢復(fù)了動態(tài)呼吸運動與循環(huán)功能，避免了術(shù)后植入體脫位和移位以及胸壁摩擦引發(fā)的局部損傷和血腫。輕質(zhì)鈦合金的剛性結(jié)構(gòu)不會發(fā)生術(shù)后形變，還能承受因呼吸和牽拉引起的張力和胸壁本身的重力。此外，鈦合金良好的生物和組織相容性降低了術(shù)后并發(fā)癥風險，且可達到胸壁重建的手術(shù)需求。

圖4 按需填補的肋骨重建示意圖(a，b)和3D打印鈦合金肋骨板假體(c)

3D打印金屬椎體

個體化3D打印椎間融合器為戰(zhàn)爭創(chuàng)傷、意外損傷或病變患者的椎體修復(fù)提供了巨大潛力，可定制適合椎體高度、寬度、深度和角度的融合器以匹配椎體生理曲度，在形體外觀和運動功能方面促進了椎間融合，獲得良好的穩(wěn)定性。3D打印脊椎融合器可分為頸椎融合器(圖5)、胸椎融合器和腰椎融合器(圖6)，通常采用TC4或TC4 ELI鈦合金粉末激光或者電子束熔融等增材制造工藝加工成實心和多孔部分相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，承重部分呈致密結(jié)構(gòu)以保證其力學負荷，非承重部分呈開放和互連的多孔結(jié)構(gòu)則有利于骨長入。

圖5 3D打印頸椎融合器

圖6 3D打印腰椎融合器

3D打印金屬髖關(guān)節(jié)

3D打印髖臼杯(圖7)充分結(jié)合了臨床應(yīng)用和3D打印工藝特性，高精度打印的類松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)有助于骨長入和固定強度，為髖關(guān)節(jié)假體初次置換、翻修、個體化假體提供了定制化臨床解決方案，提高了手術(shù)成功率。3D打印技術(shù)以1∶1比例打印出骨盆模型，用以手術(shù)規(guī)劃、預(yù)設(shè)安裝關(guān)節(jié)假體類型，模擬術(shù)中鈦合金3D打印髖臼墊塊(圖8)的大小和安裝位置。

圖7 3D打印髖臼杯

圖8 3D打印髖臼墊塊

3D打印金屬股骨

用3D打印的金屬骨精準填充切除腫瘤破壞骨的缺損區(qū)域，重建了股骨的結(jié)構(gòu)和功能完整性(圖9)，完美恢復(fù)了大腿外形與功能。長度可調(diào)的金屬股骨假體(圖10)，上下兩端為3D打印假體(最大限度保留雙側(cè)關(guān)節(jié)及骺線)，中段采用可延長結(jié)構(gòu)，兩端假體均貼鋼板加強固定，能適時滿足青少年生長發(fā)育所需，患側(cè)肢通過小手術(shù)可調(diào)節(jié)大腿長度，有效避免身體發(fā)育后出現(xiàn)“長短腿”情況，且股骨兩端與兩關(guān)節(jié)(髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié))連接處的骨接觸面采用“超多孔界面”結(jié)構(gòu)設(shè)計，仿生人體自然骨小梁結(jié)構(gòu)有助于骨細胞或組織長入金屬假體孔隙內(nèi)，實現(xiàn)植入體與自體骨良好融合，永久固定(圖11)。個體化3D打印與缺損骨高度匹配，能精準實現(xiàn)骨缺損植入、患肢功能重建，金屬植入體高的承載力提升了骨腫瘤患者保肢手術(shù)的成功率。3D打印技術(shù)的進步及其在醫(yī)療上的應(yīng)用，既為患者帶來了回歸健康生活的希望，也為醫(yī)生帶來了治愈患者的成就感和滿足感。

圖9 3D打印金屬骨替換腫瘤破壞骨模型

圖10 3D打印的長度可調(diào)金屬股骨模型(a)及假體(b)

圖11 3D打印仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)假體(a)和膝關(guān)節(jié)假體(b)

3D打印金屬膝關(guān)節(jié)

與多孔鈦植入體相比，多孔鉭植入體的生物力學適配性和彈性模量均很適用于人體，且有長期植入穩(wěn)定性優(yōu)勢，也避免了鈦合金假體中鎳、鉻或鋁、釩等有害元素的釋放。2017年我國完成了全球首例個性化3D打印鉭金屬墊塊植入的全膝關(guān)節(jié)翻修手術(shù)，3D打印鉭墊塊如圖12所示。

圖12 3D打印膝關(guān)節(jié)中的鉭墊塊

3D打印全膝關(guān)節(jié)植入物(圖13)采用了創(chuàng)新性的脛骨基板和金屬背髕骨，優(yōu)化的高度多孔金屬結(jié)構(gòu)促進了骨長入。通過機械固定(植入體與骨組織緊密結(jié)合)獲得植入體的初始穩(wěn)定性，遠期骨組織長入假體表面的微孔內(nèi)部，可實現(xiàn)有機械固定向生物內(nèi)鎖固定的轉(zhuǎn)化，從而通過骨整合獲得良好固定，延長假體植入壽命。3D打印植入體多孔表面的彈性模量低于常規(guī)植入物，金屬植入體與骨骼之間的剛度差異減小使得植入體與骨骼能有效貼合，實現(xiàn)良好骨整合。若將比骨骼更堅硬的材料植入人體，該堅硬植入體會承載更大載荷，而骨骼承載應(yīng)力降低，這會導(dǎo)致人體骨骼體積和密度逐漸下降，從而引發(fā)骨折或植入體松動及磨損，長期磨損可加劇進一步松動甚至植入體失效。

圖13 3D打印全膝關(guān)節(jié)

3D打印鈦網(wǎng)顱骨修補片

傳統(tǒng)的顱骨鈦網(wǎng)修補片是在一塊機械壓制的鈦板上修剪出所需要的修復(fù)顱骨形狀。這種方法比較浪費原材料——鈦網(wǎng)，而3D打印技術(shù)是精準的數(shù)字化打印，完全按照程序設(shè)定好的實際模型大小進行打印，避免了鈦網(wǎng)浪費，同時也縮短了加工周期。3D打印鈦網(wǎng)顱骨修補片(圖14)具有生理學和心理學雙重意義，既能防止腦組織再次損傷，有效恢復(fù)顱腔生理密閉性，也讓患者恢復(fù)了原有面貌，獲得美觀外形輪廓。

圖14 3D打印鈦網(wǎng)顱骨補片

3D打印金屬牙科種植體

由人口老齡化及牙周炎造成的牙缺損修復(fù)需要大量牙種植體修復(fù)材料。牙種植體(以小螺釘為例)與普通小螺釘貌似別無二致，但牙種植體涵蓋了材料技術(shù)、數(shù)字模擬、機械設(shè)計、生物學、生物力學和臨床醫(yī)學等多個學科技術(shù)，最顯著的特征是其應(yīng)用環(huán)境——人體牙槽嵴。種植體周圍骨組織承載種植體所施加的剪切力/壓應(yīng)力始終保持在植骨界面應(yīng)力屏蔽的閾值之上(通常是2 MPa)，否則骨組織沒有足夠承載壓力就會被吸收萎縮；同時防止扭力過大(超過60 MPa)引發(fā)骨缺損，導(dǎo)致植入體周圍發(fā)炎和周圍骨組織持續(xù)流失，從而造成植入失效。為了尋求種植體對周圍骨組織所施加剪切和張拉應(yīng)力的平衡，種植體設(shè)計的關(guān)鍵是在粗糙孔隙表面上實現(xiàn)最大植骨接觸，以期獲得最高種植體穩(wěn)定系數(shù)。3D打印在實現(xiàn)復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)方面凸顯出強大優(yōu)勢，3D打印技術(shù)助推了牙科種植體(基臺和牙冠)加工領(lǐng)域的快速發(fā)展。3D打印鈦(Ti6Al4V-ELI)牙科種植體如圖15所示，仿生的粗糙孔隙表面模擬了天然骨形態(tài)有助于提高植骨接觸，親水性表面也能提高骨整合效果。

圖15 3D打印鈦(Ti6Al4V-ELI)牙科種植體

結(jié)束語

德國哲學家費爾巴哈曾說：“生命是一切寶物中最高的東西，但有時生命是何嘗的脆弱短暫?！辈徽撌且驗橐馔鈩?chuàng)傷還是病痛折磨，個體化的量身定制優(yōu)勢，3D打印技術(shù)在臨床醫(yī)療中提高了植入體的適配率和手術(shù)成功率，為患者康復(fù)、恢復(fù)機體功能帶來了前所未有的信心和機遇。