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看可以维持一生的3D打印钛骨科植入物如何实现?

摘要:

       如果把比骨骼更为坚硬的材料植入人体,那么更为坚硬的植入物材料将承担更大的应力,而骨骼承担的应力减少,这种现象会到导致人体骨组织体积和密度逐渐下降,从而导致骨折或植入物松动。初始的松动将导致磨损以及进一步的松动,最终导致植入物失败。

那么有没有一次性解除患者痛苦,植入一次可以用一生的植入物呢?

       如果把比骨骼更为坚硬的材料植入人体,那么更为坚硬的植入物材料将承担更大的应力,而骨骼承担的应力减少,这种现象会到导致人体骨组织体积和密度逐渐下降,从而导致骨折或植入物松动。初始的松动将导致磨损以及进一步的松动,最终导致植入物失败。

那么有没有一次性解除患者痛苦,植入一次可以用一生的植入物呢?

Implants_Marieke de Lorijn用于医学测试的小型增材制造的Ti6Al4V植入物。来源:Marieke de Lorijn

block 合金改变力学和生物性能

    骨科植入物彻底改变了数百万人的生活,取代了磨损或损坏的关节。但是,即使是最先进的钛植入物,其使用寿命也很有限,植入物会失去与骨骼的附着力,从而导致疼痛并限制患者的活动能力。

制造商在不断探索出各种策略来延长植入物的寿命,包括使用不同的材料,尤其是具有模仿骨骼特性,表面功能化的材料,以及输送活性剂以促进骨骼生长和抵御感染的材料。因此,理想的植入物需要具有多种功能才能持续一生。

whitepaper_implant_3图片:骨科植入物市场细分。来源:《3D打印与骨科植入物白皮书3.0》

     尽管整形外科植入物通常非常成功,但许多患者仍面临主要并发症:植入物相关感染和植入物松动。随着许多患者在60岁之后首次接受植入物,并且患者的预期寿命增加,这是未来植入物的主要问题。

根据3D科学谷的市场观察,荷兰代尔夫特理工大学开发了一种新的钛植入物。研究人员认为,通过3D打印多孔钛植入物并且进行表面改性可以预防这些并发症等,该团队使用合理的设计原理和增材制造技术,在医学级钛合金中创建了有序互连的多孔微结构,非常适合骨骼的生长。

Implants图片:创建更理想的钛植入物。来源:荷兰代尔夫特理工大学

       增材制造可以轻松制造不同形状和尺寸的定制植入物。与固体植入物相比,多孔结构的表面积增加了三倍,因此表面功能化更加有效,既可以刺激干细胞分化为骨(或成骨细胞),又可以防止细菌感染。骨骼是一种活体材料,根据沃尔夫定律(Wolff’s Law),人体骨骼将根据它所承受的负荷进行重塑,在负荷减少的情况下,骨骼会逐渐失去骨量,或者可能发生骨吸收,引起骨折、脱位、松动。3D打印植入物多孔表面的模量低于常规植入物,所以金属植材料和骨骼之间的刚度差异会减小,这使得植入物与骨骼之间能够更好的“贴合”,并实现有效的骨整合。应力屏蔽是指当两种模量不同的材料放在一起使用时,模量大的材料承担更大的应力。以常见的植入物制造材料钛合金为例,当该材料被移植入体内,由于钛合金的模量远大于人体骨骼的模量,所以钛合金承担更多的应力作用,这将不利于新骨的生长。

     代尔夫特理工大学的研究人员进行了表面改性,即等离子体电解氧化(PEO)[1],将锶和银纳米颗粒掺入高度多孔植入物的表面。银纳米颗粒具有抗菌作用是久为人知的发现,不过研究小组发现锶离子可增强这种作用,锶离子被添加以对抗骨质疏松症并促进长期骨骼的形成和吸收。而且,该组合还对已经对常规抗生素产生抗性的细菌菌株例如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)[2]有效。研究人员发现了银和锶之间出乎意料的协同抗菌行为,但可能会促进生产更坚固的抗菌植入物,从而将感染机会降到最低。患者可能会从机械优化的植入物和表面特性中受益,这将有助于延长植入物的寿命。

名词解释:
[1] PEO是Plasma electrolytic oxidation的简称,即等离子体电解氧化,是用于在金属表面产生金属氧化物涂层的电化学表面处理过程。这个过程可以用来生长厚达几十或几百微米的氧化物涂层,这些氧化物涂层基本上是结晶性的,如铝,镁和钛这样的金属的氧化物涂层。

[2] 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌是临床上常见的毒性较强的细菌,自从上世纪40年代青霉素问世后,金黄色葡萄球菌引起的感染性疾病受到较大的控制。但随着青霉素的广泛使用,有些金黄色葡萄球菌产生青霉素酶,能水解β-内酰胺环,表现为对青霉素的耐药。

block Review

     除了正文中提到的代尔夫特理工大学将锶和银纳米颗粒掺入高度多孔植入物的表面,国内华中科技大学魏青松老师在改性医用钛合金激光选区熔化原位制备合金方面展开了积极的研究,有望获得适合人体骨骼应用的低模量高强度钛合金。2019年以来,中国骨科3D打印植入物的商业转化出现了明显的加速跑趋势,背后的推动力来自于增材制造设计、制造解决方案的发展,骨科医疗器械及医疗机构在创新上所做的努力,医疗监管机构对技术审查、产品审批的引导,以及行业协会与骨科产业链共同推动的标准。

whitepaper_implant_7图片:骨科技术发展趋势。


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