骨科3D打印：更好的膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和脊柱植入物

魔猴君  知識(shí)堂   380天前

一些世界上最大的骨科植入物制造商，包括Stryker、Johnson&Johnson、Smith&Nephew和Zimmer Biomet，都使用3D打印來(lái)制造膝蓋、臀部、脊柱、腳踝等的醫(yī)療植入物。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，全球有數(shù)十萬(wàn)患者依靠3D打印的膝蓋和臀部行走。許多人甚至可能不知道他們的植入物是3D打印的。

骨科植入物領(lǐng)域是工業(yè)3D打印或增材制造(AM)最輝煌的成功案例之一。植入物制造商發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)比傳統(tǒng)制造具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而隨著增材制造技術(shù)的不斷成熟，其優(yōu)勢(shì)甚至?xí)蟆?/span>

由Avalign Additive在GE Additive EBM 3D打印機(jī)上打印的骨科植入物（來(lái)源：GE Additive）

對(duì)3D打印植入物的需求

假體植入是一項(xiàng)蓬勃發(fā)展的業(yè)務(wù)。每年有超過(guò)100萬(wàn)美國(guó)人需要進(jìn)行膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，預(yù)計(jì)到2030年，這一數(shù)字將躍升至350萬(wàn)。

這一需求不僅受到人口老齡化和肥胖率上升（肥胖會(huì)加速關(guān)節(jié)磨損）的影響，而且患者對(duì)植入物的要求也越來(lái)越高。他們希望繼續(xù)進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)和劇烈運(yùn)動(dòng)，并希望植入假體的壽命比通常的20年更長(zhǎng)。因此，植入物正在發(fā)生變化。

增材制造正在實(shí)現(xiàn)為患者量身定制植入物，這將帶來(lái)更好的整體效果，而個(gè)性化的醫(yī)療器械和工具也將使這些手術(shù)更快、更輕松。醫(yī)生們也在用3D打印技術(shù)打印出特定患者的模型，用于練習(xí)手術(shù)，并向?qū)W生和患者傳授更多手術(shù)知識(shí)。但在本文中，我們的重點(diǎn)是3D打印植入物本身，以及只有3D打印才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)已被證明能使骨骼長(zhǎng)入植入物，從而使植入物更加穩(wěn)定、壽命更長(zhǎng)。

3D打印骨生長(zhǎng)技術(shù)

使用Gen3D Sulis Lattice模塊軟件設(shè)計(jì)骨科植入物晶格結(jié)構(gòu)（來(lái)源：Gen3D）

骨質(zhì)長(zhǎng)入植入體的醫(yī)學(xué)術(shù)語(yǔ)是骨整合。就像海綿吸水一樣，脊柱植入物的多孔金屬表面結(jié)構(gòu)或支架可以創(chuàng)造一種環(huán)境，讓骨骼生長(zhǎng)到孔隙中。骨質(zhì)的生長(zhǎng)消除了骨水泥的必要性，在膝關(guān)節(jié)植入物等情況下，骨水泥通常用于將骨質(zhì)固定在金屬植入物上。隨著時(shí)間的推移，多余的骨水泥可能會(huì)松動(dòng)，不僅會(huì)在關(guān)節(jié)中留下漂浮物，還會(huì)加速對(duì)植入物的侵蝕。

但這不僅僅是消除骨水泥的問(wèn)題。多孔種植體能使骨與種植體之間形成粘結(jié)，實(shí)際上能在種植體周圍形成更堅(jiān)固的骨，從而降低種植體并發(fā)癥的幾率。

要進(jìn)一步了解骨結(jié)合的重要性，我們首先要了解沃爾夫定律，它是由19世紀(jì)的解剖學(xué)家朱利斯-沃爾夫發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)，骨骼會(huì)對(duì)施加在其上的力做出反應(yīng)，如果骨骼長(zhǎng)期不受力，就會(huì)開(kāi)始退化，密度降低。這與醫(yī)療植入物有什么關(guān)系？

髖關(guān)節(jié)植入物上的Zimmer Biomet OsseoIt多孔金屬技術(shù)（來(lái)源：Zimmer Biomet）

由于鈦合金植入物的硬度約為骨骼的3到4倍，它將減輕周圍骨骼的負(fù)擔(dān)，這實(shí)際上會(huì)削弱骨骼。骨骼承受的壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)流失。當(dāng)患者種植體周圍的骨質(zhì)流失時(shí)，種植體就會(huì)松動(dòng)并斷裂。

植入物工程師可以通過(guò)調(diào)整晶格結(jié)構(gòu)中每個(gè)細(xì)胞的大小和形狀，將醫(yī)用植入物的硬度和柔韌性調(diào)整到更接近骨骼硬度的程度。

研究發(fā)現(xiàn)，3D打印鈦的多孔結(jié)構(gòu)可與骨骼媲美，但總體上并不優(yōu)于解剖骨骼。3D打印植入物中的晶格結(jié)構(gòu)紋理粗糙，不僅有助于促進(jìn)骨結(jié)合，還能讓營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在晶格結(jié)構(gòu)周圍流動(dòng)，促進(jìn)軟組織和骨骼的再生。

最近，《骨與關(guān)節(jié)研究》（Bone&Joint Research）雜志上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，3D打印的"鈦晶格植入物在[部分或全部膝關(guān)節(jié)置換術(shù)]后能保持脛骨近端自然的機(jī)械負(fù)荷，而傳統(tǒng)的實(shí)體植入物則不能"。

這些表面晶格結(jié)構(gòu)只有通過(guò)3D打印才能實(shí)現(xiàn)。讓我們來(lái)詳細(xì)了解一下這些結(jié)構(gòu)及其制作方法。

3D打印植入物上的隨機(jī)晶格結(jié)構(gòu)可以使用Genysis（左）和nTopology（右）等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)

就像海綿一樣，格子狀結(jié)構(gòu)并不完全均勻。我們通常用來(lái)創(chuàng)建這種骨骼結(jié)構(gòu)的塊狀結(jié)構(gòu)類型被稱為小梁晶格或隨機(jī)晶格。這些晶格模仿了被稱為骨小梁的骨骼類型，從根本上說(shuō)就是隨機(jī)泡沫。

專業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件使植入物工程師能夠?qū)⑦@種表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于金屬植入物。例如，利用Gen3D的Sulis Lattice模塊的隨機(jī)晶格功能，您可以控制隨機(jī)晶格的密度，并根據(jù)特定的醫(yī)療植入應(yīng)用定制其屬性。

然后就可以設(shè)計(jì)植入體，使其滿足患者的預(yù)期承重條件，并在仿真軟件中進(jìn)行測(cè)試。

3D植入物是如何制造的？

骨科植入物主要是金屬，但有時(shí)也使用陶瓷（有時(shí)也使用一種名為PEEK的聚合物），并使用激光粉末床熔融技術(shù)、選擇性激光熔融或電子束熔融，有時(shí)也使用定向能沉積技術(shù)進(jìn)行3D打印。鈦合金、鈷鉻合金和不銹鋼因其出色的機(jī)械強(qiáng)度、無(wú)細(xì)胞毒性和良好的耐腐蝕性成為最常見(jiàn)的材料選擇。

未來(lái)的增材制造植入物

鈦合金脊柱植入物（來(lái)源：Shining 3D）

骨科植入物制造商采用3D打印技術(shù)并不只是因?yàn)樗軌蛑圃鞆?fù)雜的表面結(jié)構(gòu)，盡管這已經(jīng)是足夠的理由。目前正在測(cè)試中的3D打印技術(shù)還有更多優(yōu)點(diǎn)，我們將在未來(lái)幾年看到這些優(yōu)點(diǎn)，例如：

1、可降解植入物。我們將看到更多的可降解植入物和新型生物材料用于整形外科植入物。生物降解植入物意味著，隨著時(shí)間的推移，病人的骨骼與植入物結(jié)合，植入物會(huì)降解，并被人體骨骼結(jié)構(gòu)所取代。

2、個(gè)性化植入物。目前，我們根據(jù)患者的體型定制植入體，但在不久的將來(lái)，我們將能根據(jù)患者的年齡、骨密度要求和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)要求定制植入體。我們將能夠獲取患者的特定掃描和測(cè)試數(shù)據(jù)，然后將其整合到我們的CAD軟件中，為每位患者設(shè)計(jì)定制的3D打印植入體。

目前，鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)制造方法最常用于制造不需要獨(dú)特結(jié)構(gòu)或幾何形狀的零件，而只有3D打印才能制造出這些零件，但隨著植入物定制化的發(fā)展，這種情況可能會(huì)發(fā)生變化。

2022年2月發(fā)布的最新研究報(bào)告指出，骨科"智能植入物"領(lǐng)域可能會(huì)在疾病診斷和治療中發(fā)揮重要作用。"報(bào)告指出："隨著3D打印技術(shù)和材料的進(jìn)步，多層和多材料電子裝置的制造可以實(shí)現(xiàn)。迄今為止，智能骨科植入物已被用于骨愈合評(píng)估、膝關(guān)節(jié)受力分析、脊柱融合監(jiān)測(cè)和髖關(guān)節(jié)假體松動(dòng)監(jiān)測(cè)。

編譯整理：ALL3DP