增材制造骨科植入型医疗器械的发展现状及应用*

张世庆孙嘉怿陈成刘斌*

1 前言

增材制造是一种通过材料的逐层累加以实现零部件自由成型的加工生产工艺。随着增材制造技术的日趋成熟，其在食品[1]、药品[2]、建筑[3]、生物工程[4,5]、医疗器械[6]等领域的应用越来越广泛。增材制造技术的应用研究不仅被科技部作为十三五的重点工作之一，其在骨科植入型医疗器械的应用发展也获得了我国医疗器械监管机构的高度重视。

增材制造技术具有加工成本低、时间短等诸多优势，增材制造通过粉末状原材料的逐层累加实现原材料的重复利用，最大程度的减少消耗，因此生产成本降低；增材制造技术可解决不规则形状产品机加工困难、加工耗时等问题，例如常规的技术手段很难实现骨科植入物表面的微孔结构，而增材制造技术可利用计算机辅助设计，打印不规则多孔结构，还可根据实际情况对多孔结构进行修改调整，实现利于骨组织的长入和融合，且与自然骨的力学强度接近的结构，从而达到抗拉力强，耐冲击强度大的目的[7-10]。增材制造技术的另一优势是形状结构个性化程度高，可实现产品个性化设计。如用于精准的辅助术前诊断、术前规划和模拟手术等的骨模型，实现个性化手术的匹配、提高手术精准度的个性化手术导向模板，为达到更好治疗效果而依据患者的特定需求生产的个性化骨科植入物。

目前，国际和国内已有多种基于增材制造技术的标准化骨科植入物在临床上应用，大量的临床结果验证了该类产品的临床效果，使得增材制造技术在个性化骨科植入物领域的应用得到了临床医生的广泛关注。企业及临床机构开始致力于研究符合人体生理解剖学特征或更好的发挥力学作用的植入物设计，以满足不同患者个性化的需求，在提高医疗水平，丰富医疗手段方面起到了重要的促进作用，囿于技术发展水平，产品数量及上市准入要求等种种因素，为保证产品的安全有效，用于骨科植入型医疗器械的增材制造技术还有待提高，个性化骨科植入物的应用目前还处于研究发展阶段。

本文简要介绍了国内外增材制造骨科医疗器械的发展及应用情况，包括标准化骨科医疗器械和个性化骨科植入物的应用。结合增材制造技术在医疗器械领域的发展现状，简要说明其普遍存在的问题，并对增材制造技术的个性化骨科植入型医疗器械的发展方向进行讨论，以期为相关人员提供建议和启示，促进我国基于增材制造技术的医疗器械的创新发展。

2 增材制造骨科产品发展及其应用简介

2.1 增材制造骨科标准化产品及其应用

增材制造技术的应用之一是在植入物表面或基体上实现多孔结构的设计，主要应用于脊柱类和关节类骨科植入物。

我国已有增材制造的标准化骨科植入物产品获得国家食品药品监督管理总局（CFDA）的批准。如北京大学第三医院和北京爱康宜诚医疗器材有限公司合作研发的金属增材制造人工髋臼杯[11]和人工椎体[12]，该团队在研究过程中还开展了相关动物实验，在动物体内进行自稳定椎间融合器植入的研究，结果表明电子束打印的椎间融合器具有良好的修复效果[13]。另外，在增材制造技术研究方面，同济医学院附属普爱医院[14]研究开发的增材制造钛合金骨小梁金属臼杯，在初次全髋关节置换术的始稳定性、早期骨长入、短期疗效方面取得了良好的效果。

美国食品药品管理局（FDA）也有基于增材制造标准化的椎体融合器、髋臼杯等产品经批准上市。其中，4WEB公司[15]是国外首家增材制造脊柱植入物得到 FDA上市许可的公司，该公司的脊柱桁架系统包括约150种结构设计，可用于包括PLIF（后路椎体间融合术）和TLIF（经椎间孔入路腰椎体间融合术）等多种脊柱手术中。其他设计开发椎间融合器的产品还包括K2M公司[16]的CASCADIA Cervical植入物和CASCADIA AN Lordotic Oblique（前突斜）植入物、Joimax公司[17]生产的内镜腰椎椎间融合器（EndoLIF®On-Cage植入物）、Stryker公司[18]生产的增材制造钛PL后路腰椎间融合器、RenovisSurgicalTechnologies公司[19]生产的多孔钛颈椎椎间融合系统 (Tesera™SC)等。LimaCorporate公司的DELTA TTTM髋臼杯[20]、Zimmer Biomet公司[21]的踝关节融合器等也采用了增材制造技术。

2.2 增材制造定制式植入物及其应用

增材制造技术因其可实现产品个性化生产，使得行业内逐渐形成了定制式医疗器械的概念。需根据患者特点定制的产品种类有很多，如增材制造的矫形用产品替代传统的骨折用石膏板，用于治疗脊柱侧弯的矫形器，用量较大的定制式义齿，以及定制化的骨科植入物、助听器等，都需要匹配患者个性化的需求而特殊设计的。其中，定制化骨科植入物风险相对较高，其原材料、产品设计、性能评价等方面面临着更大的挑战，相对于标准化植入物产品其优势在于根据医生的需求实现植入物快速、准确的设计，更好的匹配患者生理解剖结构，因此也具有较大的应用价值。

2.2.1 国外定制式骨科植入物的应用现状

在颅颌面骨修复手术中，因颅颌面特殊解剖结构，常常需要医生对植入物在手术过程中进行预弯或剪裁，某种程度上影响了产品的部分性能，利用增材制造技术就可以避免手术过程中对产品的二次加工。BioArchitects公司[22]增材制造定制化钛金属颅面植入物可实现与受损区域精确匹配，对创伤性和肿瘤性颅骨缺损进行有效的修补；巴西坎皮纳斯州立大学Jardini等[23]使用激光选区熔融技术（SLM）打印的纯钛多孔颅骨板，实现了颅骨大面积修复；韩国中央大学医院Lee等[24]利用电子束增材制造设计下颌骨，解决了下颌缺陷导致面部塌陷方面问题； 日本东京大学Kanno等[25]使用增材制造技术和逆向工程完成下颌面骨的重建；荷兰格罗宁根大学Schepers等[26]根据病人下颌缺损定制的解剖模型，重建出与缺损匹配的牙科下颌结构，并利用固定导板实现精确定位，他们还将定制化植入物与非定制化植入体进行对比，对植入物进行了9.4个月的随访，结果表明定制化的下颌板更能维持缺损位置的结构性和功能性要求。

脊柱类植入物多利用增材制造技术实现微结构的设计同时匹配患者的解剖结构，达到促进骨融合的目的。有研究对增材制造多孔融合器的结构和力学性能等方面进行评价，认为多孔结构能够减小杨氏模量，可降低应力屏蔽，实现椎体融合[27]。南非斯坦陵布什大学Beer等[28]提出了椎间盘植入物应与上下终版匹配的需求，制定椎间盘植入物的设计方法，其加工尺寸精度达到0.37mm，高精度匹配安装缩短脊柱外科手术时间；芬兰华沙理工大学Janusz等[29]也提出了快速成型制造人工椎间盘，该研究尝试设计并使用熔融沉积技术（FDM）和选择性激光烧结（SLS）两种增材制造技术来加工不同参数的人工椎间盘，建立设计定制式人工椎间盘的方法（见图1）。

图1，人工椎间盘[29]

除颅骨缺损这类非承重部位的结构，对于承重部位特殊结构骨缺损的治疗也可使用增材制造工艺加工结构复杂的骨修复假体。法国维尔茨堡朱利叶斯马克西米利安大学Rudert等[30]根据髋关节的不同缺损程度打印出全髋关节，并进行髋关节置换手术；德国Citak等[31]使用增材制造技术打印的髋关节假体，解决大范围髋臼缺损以及与双侧盆骨不连续的难题，根据CT数据重建出模型，并进行术前模拟，手术过程中使假体安装更加稳定；印度Verma等[32]重建了大面积髂骨骨缺损，根据逆向工程方法设计了定制式假体，用于髂骨缺损部位固定，假体的植入不仅实现了缺损部位的稳定固定，也保证了肌肉功能完好（见图2）。比利时圣奥古斯丁医院Stuyst等[33]面对C型远端股骨骨折大量粉碎的难题，使用定制式假体进行修补，手术后C型远端股骨骨折达到即刻稳定，恢复髌骨结构和生物力学功能；定制式植入假体用于骨缺损，为该类手术带来了方便，也促进了定制式医疗器械的研究发展。根据扫描数据重建模型虽然已使定制式的产品设计尽可能准确，但是对植入后的使用情况仍存在疑义，尤其针对大缺损翻修型定制式假体精准定位仍未探明[34]。

图2，髂骨假体[32]

2.2.2 国内定制化骨科植入物的应用现状

定制化增材制造人体植入物在国内医疗机构的应用案例相当多[35]。在颅颌面缺损重建、胸骨固定、椎体替代以及四肢骨缺损等需个性化匹配患者需求的临床应用方面取得了很好的成果。

北京大学口腔医院 Shan等[36]利用金属增材制造钛网解决上下颌面三级和四级缺损；山东省立医院口腔医院[37]增材制造多孔上颌面板，成功为19岁患者解决面部膨胀畸形的问题，通过术前模拟肿瘤切除方案及修补重建，提高颌骨重建精确度，并缩短了手术时间，在手术过程中使得假体能够很好的贴合到缺损面，达到修补、美观等效果。西安唐都医院[38]增材制造定制化胸骨，解决传统制造胸壁工艺复杂、固定不稳定以及功能丧失等问题，切除肿瘤骨，完成世界首例钛合金胸骨板置换，假体见图3。

图3，胸骨假体[38]

南方医科大学珠江医院骨科中心成功完成国内首例通过增材制造椎体模型和术中导板导航技术矫正马凡氏综合征脊柱侧弯患者的手术；北京大学第三医院脊索瘤利用金属增材制造技术，依照患者的解剖结构，制造与肿瘤椎体形态、长度相仿的人工椎体，将其放到切除病变后的相邻椎体之间，能起到可靠连接和支撑功能；清华长庚医院完成骶1-2骨巨细胞瘤根治手术，该手术精准化定位整块切除高位骶骨肿瘤，并植入增材制造个体化适型假体重建脊柱骨盆稳定性，保住患者下肢及二便功能[35]。上海交通大学 Chen等[39]研究骨盆肿瘤切除手术，通过逆向工程重建出肿瘤骨盆，在软件上切除肿瘤部分，并设计出满足病人需求的盆骨假体，术前在体外进行各方向的术前测量和安装模拟，精确评价手术过程中，避免在复杂操作位置人为的失误，在手术过程中能够更加精准的完成骨盆假体的固定，保证手术的有效性。华西医院利用增材制造技术完成膝关节胫骨干金属骨小梁假体重建，术后达到预期效果，解决桡骨远端肿瘤性骨缺损问题[35]。

3 总结与展望

国内外增材制造技术在骨科植入型医疗器械领域的逐渐渗透，为骨科植入物产品设计和生产工艺提供了新的选择，为其发展开辟了新的篇章。

目前基于增材制造技术的标准化骨科植入型医疗器械已然在市场上得到了应用推广，增材制造以特有的优势为骨科植入物打开了非常宽广的应用前景，解决了许多传统机加工实现起来复杂的问题。但采用增材制造技术的骨科植入物的临床应用范围还有一定局限，例如基于增材制造技术的骨科植入物的产品力学性能能否满足临床需求，能否替代同类传统机加工产品等，使得可利用增材制造技术的产品种类有限。因此，增材制造骨科植入物相关产品结构设计、原材料、设备、打印参数等工艺的研究和确认还有待深入。

增材制造技术在个性化骨科植入型医疗器械领域的应用日益突出，根据患者的特殊需求，使得临床治疗效果有所改善。近年来，由个性化引出的定制式医疗器械概念在医疗器械行业被广泛提及。美国 FDA、欧盟等国家或地区已有相关法规用于定制式医疗器械的监管，而我国关于定制式医疗器械的法规建设及监管制度还有待完善。以骨科植入物为例，与标准化骨科植入物相比，定制式骨科植入物数量少，终产品无法用于破坏性试验的相关性能验证，为满足患者需求，植入物的设计过程不仅需结合医生的要求制定设计方案，利用增材制造技术生产的还应满足合理的制备条件，产品需经过力学强度、结构精度等性能验证，同时还需结合丰富的临床经验和对产品的认知，才能保证定制式骨科植入物产品的安全有效性，降低产品使用风险，因此对产品全生命周期中各阶段的过程，建立相关管理规范就显得尤为重要。

为促进增材制造技术更好的在医疗器械行业的发展，基于增材制造技术的定制式骨科植入物可更好的满足个性化的特殊需求，一方面，应快速建立基于增材制造的医疗器械相关标准，建立保证产品安全有效性的基础技术准则，引导生产企业更好的研究创新；另一方面，对于增材制造技术使得定制式医疗器械的应用越来越多，我国还需加快定制式医疗器械法规及相关技术指导文件的建立，应不断探索、不断推进增材制造技术在医疗器械领域的应用研究。增材制造技术的新突破和新成就还需先进的医疗器械引领企业、医生及监管部门的共同协作和努力，从而共同推动定制式医疗器械更好的发展。

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