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    3D打印技術在骨科個體化治療方面的優勢和應用

    2015.04.26邁普故事

    骨科的個體化治療是骨科的重要發展方向之一。無論是個體化假體的應用還是常規假體的個體化植入,理論上均可改善骨關節假體與鄰近骨性結構的匹配,從而改善患者功能狀態。


    但是由于個體化治療需要在手術前規劃、設計、制造等程序。而執行這些程序的過程相對復雜,在時限上會產生一定程度的滯后。因而,雖然骨科個體化治療方案與患者個體的匹配度更高, 且理論上具有更好的長期療效。但是在傳統的個性化植入物加工方式下,醫學人員需要在常規植入物設計理念的基礎上,參考個體解剖進行假體優化設計、并通過數控機床制作,最終由醫生進行植入。個體化治療仍然會受到費時、費錢、費力等弊端的制約。



    3D打印在骨科個體化治療方面的優勢


    隨著3D打印技術在醫療領域應用的深入,3D打印技術有望從時限性角度加速骨科個體化治療流程。3D打印技術在醫療領域應用的發展,得益于醫學圖像及后處理技術的進步。20世紀80年代中期,醫學圖像技術得到發展,重建數字化模型的精度也隨之提高,越來越多的學術中心將3D實體模型應用于臨床研究。早期,這些3D模型是使用傳統數控機床進行減材處理。然而數控機床并不能加工出所有復雜的形狀。此時隨著計算機技術的發展,3D打印技術誕生,并逐漸用于構建結構復雜的3D醫學模型。


    3D打印技術通過精確控制橫斷面輪廓,有效實現外在輪廓及內部結構的同步重建,因此能充分滿足植入物與患者局部解剖結構的高度匹配。配合上前、后處理可進一步縮短等待時間。3D打印技術可以使醫生在數小時之內就拿到3D實體模型,并通過模型做出最真實、準確的評估。借助3D打印模型,醫生在術前進行合理的規劃成為可能,個體化的手術導板工具成為現實,個體化植入物的制造也可以避免長時間的等待,制造成本也隨之下降。



    3D打印技術在骨科臨床上的應用


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    3D打印技術可以整合骨科手術的多個環節,包括術前規劃、指導個體化的植入植入物,還包括個體化骨科植入物的制作。個體化骨科植入物可保證幾何形態的完美匹配,理論上可保證良好的初始穩定性、改善骨長入,延長假體壽命。


    有的研究人員使用3D打印技術輔助制造個性化人工半膝關節。主要制造方式是通過醫學圖像和前處理軟件生成3D打印模型,然后通過3D打印機做出光敏樹脂原型,然后以硅膠為材料進行翻模 , 經過一系列后處理之后,最后澆注獲得個體化鈦合金關節植入物??梢钥吹?,借助3D打印模型和倒模技術制造個性化金屬植入物的流程仍然較為繁瑣。


    隨著數字化技術的成熟和3D打印技術的發展,臨床上已經開始使用EBM(電子束熔融)和SLM(選擇性激光融化)這樣的3D打印技術直接進行金屬植入物的制造。其中,EBM技術雖然在精度上略遜于SLM技術,但成型效率高,高溫環境下一次成型,殘余應力低,無需二次熱處理,鈦合金成型件生物相容性良好,適用于骨科植入物的直接制造,相關產品已經通過了美國FDA及歐盟CE認證。上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院通過與患者、醫院、管理部門等多方協議的方式,已在該領域進行了試驗。例如,2005年,第九人民醫院的戴尅戎院士接診了一位右側骨盆長有頭顱大小肉瘤的患者?;颊咝枰邮苋斯ぐ牍桥柚脫Q以保全他的臀部和下肢。為解決傳統的半骨盆假體很難跟患者骨盆殘余部分吻合的問題,戴尅戎院士使用了3D打印技術進行個體化半骨盆的設計,手術短期效果滿意。


    在個體化骨科植入物領域,另一個記憶尤新的應用是,2011年比利時和荷蘭的科學家們為一名83歲女性移植3D打印下頜骨的手術。植入物的研發團隊依據患者的CT掃描圖像,生成3D模型,并通過計算機在植入物模型表面設計了數千條溝槽。這樣的設計能夠促進患者血管、肌肉及神經與植入物盡快長合。設計好的植入物3D模型最終通過比利時LayerWise公司的SLM 3D打印技術打印出來。打印過程是通過激光對鈦合金粉末進行融化并進行3000層的疊加,打印完成后再對植入物進行陶瓷涂層。植入手術歷時4個小時,且患者恢復良好。


    比利時的Hasselt大學預計,量身定做的各種植入物將被廣泛使用,定制化植入物的使用在不久的將來會成為常態。

    文章部分內容援引《醫用生物力學》第29卷 第3期,《骨科個體化治療與3D打印技術》,作者:王燎,戴尅戎;《生物骨科材料與臨床研究》2013年12月第10卷第6期,《3D打印在醫療器械領域的應用》,作者:王彩梅、張衛平、李志疆。


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