"3D打印+仿生"技術定制鉭金屬多孔支架保住患者髖關節(jié)

來源：華曙高科

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；當骨小梁因股骨頭壞死而變得不再堅固，那房子也就會搖搖欲墜。近日，中南大學湘雅醫(yī)院骨科專家為39歲的股骨頭壞死患者譚先生精準植入一根定制的鉭金屬"房梁"，支撐起壞死的股骨頭，保住患者的髖關節(jié)。

此次3D打印個性化定制仿生骨小梁多孔鉭金屬支架，是由中南大學湘雅醫(yī)院骨科、河北大洲智造科技有限公司采用華曙高科金屬3D打印解決方案完成。該植入手術在世界范圍內(nèi)尚屬首例，打破國外的技術壟斷，為骨關節(jié)臨床提供新思路、新方法和理論依據(jù)，為我國骨科植入醫(yī)療技術和人們醫(yī)療健康貢獻力量。

個性化定制鉭金屬"房梁"

去年冬天開始，譚先生只要多走幾步就感覺腰背疼痛，在輾轉多家醫(yī)院后確診為II期股骨頭壞死，當?shù)蒯t(yī)生建議他做關節(jié)置換手術。為了能盡量保住自己的髖關節(jié)，今年3月譚先生找到湘雅醫(yī)院骨科主任胡懿郃教授進行治療。

湘雅醫(yī)院骨科主任胡懿郃教授演示手術過程

而此時他只要下地行走，就會出現(xiàn)右髖強烈的疼痛，導致只能臥床在家休息。"譚先生股骨頭里面的'房梁'骨小梁結構發(fā)生了損傷，但'房頂'還未發(fā)生塌陷，對這種早期青壯年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。"胡懿郃教授介紹道。

青壯年時期是患者關節(jié)活動量最大的階段，也是骨頭和血管再生能力最強的階段，保髖治療成功率相對較高；否則一旦壞死持續(xù)進展，導致股骨頭塌陷變扁后，髖關節(jié)的關節(jié)面會被迅速破壞，患者將失去運動能力和勞動能力，最終只能接受人工全髖關節(jié)置換。

譚先生股骨頭的新"房梁"，是由胡懿郃教授團隊自主研發(fā)的最新3D打印仿生骨小梁多孔鉭金屬支架，它是國家重點研發(fā)計劃"3D打印個性化植入器械臨床應用研究與推廣"的成果。

3D打印多孔鉭棒工藝標準全球領先

據(jù)胡懿郃介紹，相比于鈦金屬來說，鉭金屬生物相容性更佳，人體不易發(fā)生排異反應，且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構，骨組織長入速度大大高于鈦金屬，可以促進骨細胞快速長到鉭金屬棒的孔隙中。

"我們通過與算法工程師緊密合作，根據(jù)患者骨小梁不規(guī)則的結構來設計，比起進口的鉭金屬棒規(guī)則的'蜂巢'型結構，其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，誘導骨長入。"胡懿郃說，這一設計通過傳統(tǒng)的機械加工或者化學氣相沉積無法實現(xiàn)，只有3D打印才可以做到。

左圖為計算機設計模型，右圖為3D打印個性化定制手術導板

早在2018年，河北大洲智造便采用華曙高科金屬3D打印解決方案，與華曙高科應用研發(fā)團隊聯(lián)合開發(fā)了鉭金屬3D打印成型技術，其工藝指數(shù)達到全球領先水平。

多孔鉭骨植入器件在體內(nèi)表現(xiàn)出極佳的生物相容性，而且多孔鉭與骨組織形成良好的骨整合，不易發(fā)生松動，體現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，患者的臨床反饋普遍比較滿意。

通過調(diào)整多孔鉭的孔隙率可使其彈性模量與植入部位骨組織彈性模量相匹配，避免應力遮擋效應，多孔鉭還顯示了相對較高的摩擦系數(shù)，這一特性同樣有利于維持植入宿主骨后的初期穩(wěn)定。多孔鉭金屬可以誘導新生骨組織的長入，新生的骨組織可完全長入多孔鉭金屬內(nèi)部，并且新骨與多孔鉭間無纖維結締組織層插入，新骨與多孔鉭金屬直接接觸，兩者之間可以形成理想的骨性整合 。

以往，采用傳統(tǒng)方式制作多孔鉭植入物的缺點有——

泡沫浸漬法：疲勞性能差。

粉末冶金：制備方法受到限制，有大量閉孔。

氣相沉積法：工藝復雜，性能根據(jù)基體材料和氣相沉積工藝變化。

大洲智造與華曙高科聯(lián)合開發(fā)的鉭金屬3D打印成型技術優(yōu)化工藝則具備——

優(yōu)異的性能，綜合性能優(yōu)于鑄造件；

全球一流的3D打印鉭件致密度；

可以滿足個性化定制的需求，針對不同病人各自骨缺損形態(tài)不同，通過3D打印制作與其形態(tài)完全吻合的多孔鉭植入物。點陣結構或多孔結構的鉭骨科植入物擁有同等人體骨質(zhì)的彈性模量，避免應力屏蔽效應。

▲ 圖為大洲智造采用華曙高科金屬3D打印解決方案制作的鉭植入物測試樣件

大洲智造采用華曙高科金屬3D打印解決方案研發(fā)的鉭金屬3D打印成型技術，其相對致密度高達99.3%，拉伸強度大于485MPa，屈服強度大于420MPa，斷后伸長率大于20%，綜合力學性能遠高于鉭金屬鑄造件。

3D打印多孔鉭棒對粉體性能、打印工藝參數(shù)、設備穩(wěn)定性、鋪粉質(zhì)量、打印精度等要求都非常高，植入體設計尺寸完全按病人患處的影像數(shù)據(jù)進行設計調(diào)整。為了保證手術的順利進行和達到最佳的治療效果，尺寸的把握至關重要。憑借華曙高科金屬3D打印解決方案突出的性能和工藝穩(wěn)定性，專家團隊將植入體的整體打印誤差可控在±0.1mm，為患者個性化定制了一根"鉭棒"。

實現(xiàn)多孔鉭棒精準植入

鉭金屬支架的孔隙率要求非常嚴格，孔隙太大將不利于骨組織生長，而孔隙太小導致支架太重，與人體骨骼的差別又很大，為了保證治療達到最佳效果，專家團隊為患者量身定制，將多孔鉭棒植入物的孔隙率控制在68%-75%，孔徑直徑250-500um。此外鉭金屬棒內(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"。骨組織可以同時在內(nèi)部和外部在假體表面生長，術后大概2個星期就可以長進去，最終實現(xiàn)多孔鉭金屬棒和人體的完全融合。

其作用有兩方面：一是與骨小梁結構的力學性能性能匹配，不會造成接觸部位的應力集中；二是高孔隙率利于骨質(zhì)的長入，能保證植入體遠期的穩(wěn)定性。

"我們在鉭金屬棒的尾部設計了螺旋形自鎖定裝置，類似于'膨脹螺絲'，患者術后活動就不用擔心鉭金屬棒退出來；后期我們還將設計壓配打擊植入的鎖定機制。"專家團隊介紹。手術時醫(yī)生運用3D打印技術制造一個"雙導向"手術導板，既可以精準定位手術入口和路線，便于進行壞死區(qū)域的髓芯減壓和壞死骨質(zhì)的刮除，又可以直達病灶，精準地將鉭金屬棒植入進入，大大減少手術時間和對患者組織的損傷。

"傳統(tǒng)的手術方式，即便是有經(jīng)驗的醫(yī)生，也需要多次嘗試打入導針，這樣不僅會延長手術時間和增加術中X射線透視數(shù)量，也會增加患者軟組織的創(chuàng)傷。而在手術導板的指引下，我們僅僅幾分鐘就達到病灶，將股骨頭內(nèi)壞死的骨質(zhì)從進針通道內(nèi)取出，再植入鉭金屬棒，整個手術時間不到半個小時。"胡懿郃教授說道。

術后第一天譚先生就能坐起來，傷口區(qū)域沒有疼痛；術后第二天就可以站立。為確保骨長入專家建議他早期部分負重，他的手術傷口采用美容縫合無需拆線，還覆蓋上最近胡教授團隊創(chuàng)新運用的生物半透膜敷料，無需換藥可以立刻洗澡，這使得譚先生真正實現(xiàn)快速康復。

鉭金屬在工業(yè)領域和醫(yī)療領域應用廣泛。研究和臨床應用表明多孔鉭金屬具有比金屬鈦和鈦合金更好的骨融合和骨傳導性能，骨組織長入良好，骨性生物固定優(yōu)良。3D打印高致密度和高力學性能鉭金屬核心技術將為我國在高端骨科植入物、醫(yī)療器械和難熔金屬工業(yè)部件的發(fā)展做出積極貢獻。