3D打印医用金属植入体

2022-07-29供稿余冬梅魏星辉吴昊刘沂朝李小康郭征

金属世界 2022年4期

供稿|余冬梅，魏星辉，吴昊，刘沂朝，李小康，郭征 /

战争创伤、车祸、疾病等造成的人体骨骼缺损或缺失等，一般的修复产品往往无法进行治疗，而是需要个性化定制植入物进行修复。3D打印医疗化产品推动了我国医疗技术不断升级，也是我国进入创新中国和健康中国新时代的标志。个体化3D打印技术制备的临床医用产品革新并升级了传统临床手术，甚至对传统植入体和器械应用具有颠覆式的替代作用。数字化已成为医疗行业的核心关键词之一，而3D打印技术作为数字化制造的典型代表，与临床诊疗、创伤修复、临床医用产品加工的数字化升级过程相融合，形成了3D打印辅助诊断、设计、制造和治疗全数字化流程的串联闭环。此外，全面数字化是国际医疗行业和临床医用产品加工领域的稳定发展趋势。

3D打印医用金属植入体

青少年(10～25岁)是恶性骨肿瘤易发的时期。这一时期骨骼生长发育旺盛，骨细胞高速活跃，增长过快就容易引起细胞突变。骨肉瘤是骨科较常见的原发恶性骨肿瘤，大多发病于股骨、胫骨、肱骨和膝关节，而头骨、颌骨或骨盆等则相对稀少。骨肉瘤持续“破坏蚕食”骨质，患者会出现疼痛、关节活动能力范围受限(蹲不下、手臂抬不起等)，轻微外力易致骨折等，还可能出现不明原因的发烧。需要注意的是骨肉瘤与生长期疼痛、滑膜炎或肌肉拉伤容易混淆。

骨肉瘤传统的治疗方式是截肢术，但患者术后长期存活率低且伴随肢体功能障碍。而保肢手术如3D打印技术在辅助骨肿瘤精准切除、定制化修复骨缺陷以及个体化假肢设计和安装方面独具优势，显著提高了骨肿瘤的治疗水平，能够恢复肢体的外形与功能。例如，在彻底切除挠骨骨肿瘤病灶后，根据CT等影像学获取的数据，个体化定制的3D打印腕关节最大可能保留了患肢功能(图1)，同时也体现出了医工结合的定制化理念。

图1 (a)术前假体设计及(b)3D打印腕关节假体(资料来源于西京医院)

3D打印金属肱骨

肱骨近端骨肿瘤完整切除后，3D打印肩关节假体进行保肢手术，量身定制的肩关节假体完美匹配缺损部位(图2)，最大限度复原骨头，术后上肢绝大部分功能正常，前臂手指活动自如。

图2 3D打印肩关节模型(a)及假体(b)

3D打印金属胸骨和肋骨

胸骨是胸廓的核心组成部分，上接锁骨，下接肋弓，左右两侧包含七对肋骨。胸骨不仅维持胸廓稳定，保持呼吸运动协调，同时也是保护心脏及大血管的重要屏障。若没有合适的材料和结构替代被切除的胸骨，胸廓的稳定性也将随之被破坏，影响患者的呼吸和胸廓外形。切除原发性胸骨肿瘤后利用3D打印胸骨假体精准适配修复缺损部位，重建胸骨结构和功能(图3)。个体化3D打印胸骨可构建完整胸廓结构，保护内部脏器，恢复肢体外观。个体化3D打印钛合金胸骨假体，在满足其承载力的情况，通过优化结构设计，能够有效减重，胸骨假体质量(98.3 g)只占该部位切除肿瘤质量(665 g)的15%，实现了轻便化高强度的植入体定制。

图3 个体化3D打印钛合金胸骨假体及其质量

因胸壁肿瘤切除而造成的胸骨与邻近肋软骨缺损，胸壁重建在功能和外观上面临着巨大挑战，而“量身定制”的3D打印钛合金“铠甲”(肋骨板)重塑了胸廓的完整性和稳定性以及胸膜腔的密封性(图4)，恢复了动态呼吸运动与循环功能，避免了术后植入体脱位和移位以及胸壁摩擦引发的局部损伤和血肿。轻质钛合金的刚性结构不会发生术后形变，还能承受因呼吸和牵拉引起的张力和胸壁本身的重力。此外，钛合金良好的生物和组织相容性降低了术后并发症风险，且可达到胸壁重建的手术需求。

图4 按需填补的肋骨重建示意图(a，b)和3D打印钛合金肋骨板假体(c)

3D打印金属椎体

个体化3D打印椎间融合器为战争创伤、意外损伤或病变患者的椎体修复提供了巨大潜力，可定制适合椎体高度、宽度、深度和角度的融合器以匹配椎体生理曲度，在形体外观和运动功能方面促进了椎间融合，获得良好的稳定性。3D打印脊椎融合器可分为颈椎融合器(图5)、胸椎融合器和腰椎融合器(图6)，通常采用TC4或TC4 ELI钛合金粉末激光或者电子束熔融等增材制造工艺加工成实心和多孔部分相结合的复合结构，承重部分呈致密结构以保证其力学负荷，非承重部分呈开放和互连的多孔结构则有利于骨长入。

图5 3D打印颈椎融合器

图6 3D打印腰椎融合器

3D打印金属髋关节

3D打印髋臼杯(图7)充分结合了临床应用和3D打印工艺特性，高精度打印的类松质骨结构有助于骨长入和固定强度，为髋关节假体初次置换、翻修、个体化假体提供了定制化临床解决方案，提高了手术成功率。3D打印技术以1∶1比例打印出骨盆模型，用以手术规划、预设安装关节假体类型，模拟术中钛合金3D打印髋臼垫块(图8)的大小和安装位置。

图7 3D打印髋臼杯

图8 3D打印髋臼垫块

3D打印金属股骨

用3D打印的金属骨精准填充切除肿瘤破坏骨的缺损区域，重建了股骨的结构和功能完整性(图9)，完美恢复了大腿外形与功能。长度可调的金属股骨假体(图10)，上下两端为3D打印假体(最大限度保留双侧关节及骺线)，中段采用可延长结构，两端假体均贴钢板加强固定，能适时满足青少年生长发育所需，患侧肢通过小手术可调节大腿长度，有效避免身体发育后出现“长短腿”情况，且股骨两端与两关节(髋关节和膝关节)连接处的骨接触面采用“超多孔界面”结构设计，仿生人体自然骨小梁结构有助于骨细胞或组织长入金属假体孔隙内，实现植入体与自体骨良好融合，永久固定(图11)。个体化3D打印与缺损骨高度匹配，能精准实现骨缺损植入、患肢功能重建，金属植入体高的承载力提升了骨肿瘤患者保肢手术的成功率。3D打印技术的进步及其在医疗上的应用，既为患者带来了回归健康生活的希望，也为医生带来了治愈患者的成就感和满足感。

图9 3D打印金属骨替换肿瘤破坏骨模型

图10 3D打印的长度可调金属股骨模型(a)及假体(b)

图11 3D打印仿生骨小梁结构的髋关节假体(a)和膝关节假体(b)

3D打印金属膝关节

与多孔钛植入体相比，多孔钽植入体的生物力学适配性和弹性模量均很适用于人体，且有长期植入稳定性优势，也避免了钛合金假体中镍、铬或铝、钒等有害元素的释放。2017年我国完成了全球首例个性化3D打印钽金属垫块植入的全膝关节翻修手术，3D打印钽垫块如图12所示。

图12 3D打印膝关节中的钽垫块

3D打印全膝关节植入物(图13)采用了创新性的胫骨基板和金属背髌骨，优化的高度多孔金属结构促进了骨长入。通过机械固定(植入体与骨组织紧密结合)获得植入体的初始稳定性，远期骨组织长入假体表面的微孔内部，可实现有机械固定向生物内锁固定的转化，从而通过骨整合获得良好固定，延长假体植入寿命。3D打印植入体多孔表面的弹性模量低于常规植入物，金属植入体与骨骼之间的刚度差异减小使得植入体与骨骼能有效贴合，实现良好骨整合。若将比骨骼更坚硬的材料植入人体，该坚硬植入体会承载更大载荷，而骨骼承载应力降低，这会导致人体骨骼体积和密度逐渐下降，从而引发骨折或植入体松动及磨损，长期磨损可加剧进一步松动甚至植入体失效。

图13 3D打印全膝关节

3D打印钛网颅骨修补片

传统的颅骨钛网修补片是在一块机械压制的钛板上修剪出所需要的修复颅骨形状。这种方法比较浪费原材料——钛网，而3D打印技术是精准的数字化打印，完全按照程序设定好的实际模型大小进行打印，避免了钛网浪费，同时也缩短了加工周期。3D打印钛网颅骨修补片(图14)具有生理学和心理学双重意义，既能防止脑组织再次损伤，有效恢复颅腔生理密闭性，也让患者恢复了原有面貌，获得美观外形轮廓。

图14 3D打印钛网颅骨补片

3D打印金属牙科种植体

由人口老龄化及牙周炎造成的牙缺损修复需要大量牙种植体修复材料。牙种植体(以小螺钉为例)与普通小螺钉貌似别无二致，但牙种植体涵盖了材料技术、数字模拟、机械设计、生物学、生物力学和临床医学等多个学科技术，最显著的特征是其应用环境——人体牙槽嵴。种植体周围骨组织承载种植体所施加的剪切力/压应力始终保持在植骨界面应力屏蔽的阈值之上(通常是2 MPa)，否则骨组织没有足够承载压力就会被吸收萎缩；同时防止扭力过大(超过60 MPa)引发骨缺损，导致植入体周围发炎和周围骨组织持续流失，从而造成植入失效。为了寻求种植体对周围骨组织所施加剪切和张拉应力的平衡，种植体设计的关键是在粗糙孔隙表面上实现最大植骨接触，以期获得最高种植体稳定系数。3D打印在实现复杂仿生结构方面凸显出强大优势，3D打印技术助推了牙科种植体(基台和牙冠)加工领域的快速发展。3D打印钛(Ti6Al4V-ELI)牙科种植体如图15所示，仿生的粗糙孔隙表面模拟了天然骨形态有助于提高植骨接触，亲水性表面也能提高骨整合效果。