全球首例!“3D打印+仿生”鉭金屬多孔股骨頭支架植入人體
魔猴君 行業(yè)資訊 2076天前
如果說股骨頭是一座房子,那么其中的骨小梁就是支撐的房梁。當(dāng)骨小梁因股骨頭壞死而變得不再堅(jiān)固,那房子就會搖搖欲墜,房頂也就離塌陷不遠(yuǎn)了。
近日,中南大學(xué)湘雅醫(yī)院骨科專家為39歲的股骨頭壞死患者譚先生精準(zhǔn)植入了一根定制的鉭金屬“房梁”,支撐起壞死的股骨頭,保住了患者的髖關(guān)節(jié)。此次由國內(nèi)團(tuán)隊(duì)自主創(chuàng)新研發(fā)的3D打印個(gè)性化定制仿生骨小梁多孔鉭金屬支架植入手術(shù),在世界范圍內(nèi)尚屬首例,打破了國外的技術(shù)壟斷。
股骨頭壞死導(dǎo)致“房梁”斷裂
去年冬天開始,譚先生就經(jīng)常感覺腰背疼痛,只要多走幾步,右髖關(guān)節(jié)和右腹股溝區(qū)域就酸痛得厲害。他本以為是普通的腰椎間盤突出,然而輾轉(zhuǎn)好幾家醫(yī)院后卻最終被確診為II期股骨頭壞死。當(dāng)?shù)蒯t(yī)生建議他做關(guān)節(jié)置換手術(shù)。
正值青壯年的譚先生希望能盡量保住自己的髖關(guān)節(jié),今年3月,他找到了湘雅醫(yī)院骨科主任胡懿郃教授。而此時(shí),他只要下地行走,就會出現(xiàn)右髖強(qiáng)烈的疼痛,已經(jīng)無法工作,只能臥床在家,嚴(yán)重影響了他的生活。譚先生股骨頭里面的‘房梁’骨小梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷,但‘房頂’還未發(fā)生塌陷,對于這種早期的、青壯年的患者來說,保髖治療是首選,這就需要用新的‘房梁’來支撐,保持‘房頂’不掉下來。
青壯年時(shí)期是患者關(guān)節(jié)活動(dòng)量最大的階段,也是骨頭和血管再生能力最強(qiáng)的階段,保髖治療成功率相對較高。否則,一旦壞死持續(xù)進(jìn)展,導(dǎo)致股骨頭塌陷變扁后,髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面會被迅速破壞,患者將失去運(yùn)動(dòng)能力和勞動(dòng)能力,最終只能接受人工全髖關(guān)節(jié)置換。
醫(yī)工合作個(gè)性化定制鉭金屬“房梁”
譚先生股骨頭的新“房梁”,是胡懿郃教授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的最新“秘密武器”——3D打印仿生骨小梁多孔鉭金屬支架。這一產(chǎn)品是國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“3D打印個(gè)性化植入器械臨床應(yīng)用研究與推廣”的成果,由中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和湘雅醫(yī)院骨科共同通過產(chǎn)學(xué)研醫(yī)平臺和醫(yī)工結(jié)合方式研發(fā)。
3D打印仿生骨小梁多孔鉭金屬支架
相比于目前最常用的鈦金屬來說,鉭金屬生物相容性更佳,人體不易發(fā)生排異反應(yīng)。更為重要的是,鉭金屬的彈性模量更接近骨組織,更適合仿生人體的骨小梁結(jié)構(gòu),骨組織長入速度大大高于鈦金屬,可以促進(jìn)骨細(xì)胞快速長到鉭金屬棒的孔隙中。然而,目前全球少數(shù)幾家制作此種材料的公司,制造的是“均碼”的圓柱體鉭金屬棒,其規(guī)則的“蜂巢狀”孔隙結(jié)構(gòu)也并未十分切合人體骨小梁結(jié)構(gòu)。那么,如何才能讓鉭金屬“房梁”更好地發(fā)揮支撐作用呢?
在胡懿郃教授的指導(dǎo)下,湘雅醫(yī)院骨科醫(yī)師、生物醫(yī)用材料博士后雷鵬飛組織醫(yī)工交互團(tuán)隊(duì)通過精心設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù),為譚先生個(gè)性化定制了一根鉭金屬“房梁”。根據(jù)譚先生的CT和MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn),建立了計(jì)算機(jī)3D模型,可以精確根據(jù)患者實(shí)際的骨壞死區(qū)域,通過金屬激光3D打印來個(gè)性化定制鉭金屬棒。
進(jìn)口的鉭金屬棒產(chǎn)品頂端是圓柱體的平面,在與圓弧型的股骨頭接觸時(shí),只有單個(gè)的接觸點(diǎn)受力。而我們特地根據(jù)3D模型把頂端設(shè)計(jì)成弧形,這樣就與股骨頭關(guān)節(jié)面的弧度更為匹配,通過面的接觸來增加支撐效果,可以更好地預(yù)防塌陷。
3D打印仿生骨小梁結(jié)構(gòu),促進(jìn)骨組織快速生長
當(dāng)自體骨組織長入鉭金屬棒后,“房梁”才會更加穩(wěn)定。那么,該如何加快骨組織的長入速度呢?胡懿郃教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用了“仿生”的方法。
我們通過與算法工程師緊密合作,根據(jù)譚先生骨小梁不規(guī)則的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì),比起進(jìn)口的鉭金屬棒規(guī)則的‘蜂巢’型結(jié)構(gòu),彈性模量和表面摩擦系數(shù)與人體松質(zhì)骨更為接近,可以更好地‘偽裝’成骨小梁,誘導(dǎo)骨長入。胡懿郃教授表示,鉭金屬支架的孔隙率要求非常嚴(yán)格,孔隙太大將不利于骨組織生長,而孔隙太小導(dǎo)致支架太重,與人體骨骼的差別又很大。
這一設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)并不容易,通過傳統(tǒng)的機(jī)械加工或者化學(xué)氣相沉積無法實(shí)現(xiàn),只有3D打印才可以做到。而鉭金屬作為難熔金屬,在3D打印過程中,對粉體性能、激光熔化參數(shù)、設(shè)備穩(wěn)定性、鋪粉質(zhì)量、打印精度等要求都非常高,團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)了近1年才打印出滿意的支架。此外,胡懿郃教授團(tuán)隊(duì)還在鉭金屬棒內(nèi)部留了一定的通道空隙,可以填充患者自體的松質(zhì)骨,利用鉭金屬“親生物”的特性,在鉭金屬棒中播下“種子”。骨組織可以同時(shí)在內(nèi)部和外部在假體表面生長,術(shù)后大概2個(gè)星期就可以長進(jìn)去,最終實(shí)現(xiàn)多孔鉭金屬棒和人體的完全融合。
“我們在鉭金屬棒的尾部設(shè)計(jì)了螺旋形自鎖定裝置,類似于‘膨脹螺絲’,患者術(shù)后活動(dòng)就不用擔(dān)心鉭金屬棒退出來;后期我們還將設(shè)計(jì)壓配打擊植入的鎖定機(jī)制?!崩座i飛博士后說。
幾分鐘抵達(dá)病灶,半小時(shí)完成手術(shù)
鉭金屬“房梁”做好后,如何通過手術(shù)精準(zhǔn)植入也非常重要。雷鵬飛博士后運(yùn)用3D打印技術(shù)制造了一個(gè)“雙導(dǎo)向”手術(shù)導(dǎo)板,既可以精準(zhǔn)定位手術(shù)入口和路線,便于進(jìn)行壞死區(qū)域的髓芯減壓和壞死骨質(zhì)的刮除,又可以直達(dá)病灶,精準(zhǔn)地將鉭金屬棒植入進(jìn)入,大大減少了手術(shù)時(shí)間和對患者組織的損傷。
醫(yī)生模擬手術(shù)前的導(dǎo)板
“傳統(tǒng)的手術(shù)方式,即便是有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生,也需要多次嘗試打入導(dǎo)針,這樣不僅會延長手術(shù)時(shí)間和增加術(shù)中X射線透視數(shù)量,也會增加患者軟組織的創(chuàng)傷。而在手術(shù)導(dǎo)板的指引下,我們僅僅幾分鐘就達(dá)到了病灶,將股骨頭內(nèi)壞死的骨質(zhì)從進(jìn)針通道內(nèi)取出,再植入鉭金屬棒,整個(gè)手術(shù)時(shí)間不到半個(gè)小時(shí)。”胡懿郃教授表示。術(shù)后第一天,譚先生就坐起來了,傷口區(qū)域沒有疼痛;術(shù)后第二天就可以站起來了。為了確保骨長入,專家建議他早期部分負(fù)重。他的手術(shù)傷口采用美容縫合無需拆線,還覆蓋上了最近胡教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新運(yùn)用的生物半透膜敷料,無需換藥還可以立刻洗澡,這使得譚先生真正實(shí)現(xiàn)了快速康復(fù)。
“股骨頭壞死是進(jìn)展性的,目前發(fā)病機(jī)制不明,也沒有有效的根治方法。對于年輕的股骨頭壞死早期患者,我們希望能通過新的材料和手術(shù)方法,盡量保住他們的髖關(guān)節(jié),延緩股骨頭壞死的速度,避免患者過早接受髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。如果骨頭生長情況好,患者甚至可以不用接受髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。”胡懿郃教授表示。據(jù)悉,湘雅醫(yī)院骨科胡懿郃教授團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力于研發(fā)3D打印個(gè)性化仿生多孔鉭金屬植入物修復(fù)骨缺損,為骨關(guān)節(jié)臨床提供新思路、新方法和理論依據(jù),并集成數(shù)字技術(shù)和現(xiàn)代人工智能,產(chǎn)學(xué)研自主創(chuàng)新研發(fā),為我國骨科植入醫(yī)療技術(shù)和人們醫(yī)療健康貢獻(xiàn)力量。