骨科3D打印：更好的膝關節(jié)、髖關節(jié)和脊柱植入物
魔猴君 知識堂 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打印來制造膝蓋、臀部、脊柱、腳踝等的醫(yī)療植入物。事實上，據(jù)估計，全球有數(shù)十萬患者依靠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，而隨著增材制造技術(shù)的不斷成熟，其優(yōu)勢甚至會更大。
由Avalign Additive在GE Additive EBM 3D打印機上打印的骨科植入物（來源：GE Additive）
對3D打印植入物的需求
假體植入是一項蓬勃發(fā)展的業(yè)務。每年有超過100萬美國人需要進行膝關節(jié)置換手術(shù)，預計到2030年，這一數(shù)字將躍升至350萬。
這一需求不僅受到人口老齡化和肥胖率上升（肥胖會加速關節(jié)磨損）的影響，而且患者對植入物的要求也越來越高。他們希望繼續(xù)進行體育運動和劇烈運動，并希望植入假體的壽命比通常的20年更長。因此，植入物正在發(fā)生變化。
增材制造正在實現(xiàn)為患者量身定制植入物，這將帶來更好的整體效果，而個性化的醫(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，用于練習手術(shù)，并向?qū)W生和患者傳授更多手術(shù)知識。但在本文中，我們的重點是3D打印植入物本身，以及只有3D打印才能實現(xiàn)復雜的幾何結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)已被證明能使骨骼長入植入物，從而使植入物更加穩(wěn)定、壽命更長。
3D打印骨生長技術(shù)
使用Gen3D Sulis Lattice模塊軟件設計骨科植入物晶格結(jié)構(gòu)（來源：Gen3D）
骨質(zhì)長入植入體的醫(yī)學術(shù)語是骨整合。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，讓骨骼生長到孔隙中。骨質(zhì)的生長消除了骨水泥的必要性，在膝關節(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。隨著時間的推移，多余的骨水泥可能會松動，不僅會在關節(jié)中留下漂浮物，還會加速對植入物的侵蝕。
但這不僅僅是消除骨水泥的問題。多孔種植體能使骨與種植體之間形成粘結(jié)，實際上能在種植體周圍形成更堅固的骨，從而降低種植體并發(fā)癥的幾率。
要進一步了解骨結(jié)合的重要性，我們首先要了解沃爾夫定律，它是由19世紀的解剖學家朱利斯-沃爾夫發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)，骨骼會對施加在其上的力做出反應，如果骨骼長期不受力，就會開始退化，密度降低。這與醫(yī)療植入物有什么關系？
髖關節(jié)植入物上的Zimmer Biomet OsseoIt多孔金屬技術(shù)（來源：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擔，這實際上會削弱骨骼。骨骼承受的壓力過大會導致骨質(zhì)流失。當患者種植體周圍的骨質(zhì)流失時，種植體就會松動并斷裂。
植入物工程師可以通過調(diào)整晶格結(jié)構(gòu)中每個細胞的大小和形狀，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，不僅有助于促進骨結(jié)合，還能讓營養(yǎng)物質(zhì)在晶格結(jié)構(gòu)周圍流動，促進軟組織和骨骼的再生。
最近，《骨與關節(jié)研究》（Bone&Joint Research）雜志上的一項研究發(fā)現(xiàn)，3D打印的"鈦晶格植入物在[部分或全部膝關節(jié)置換術(shù)]后能保持脛骨近端自然的機械負荷，而傳統(tǒng)的實體植入物則不能"。
這些表面晶格結(jié)構(gòu)只有通過3D打印才能實現(xiàn)。讓我們來詳細了解一下這些結(jié)構(gòu)及其制作方法。
3D打印植入物上的隨機晶格結(jié)構(gòu)可以使用Genysis（左）和nTopology（右）等軟件進行設計
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，從根本上說就是隨機泡沫。
專業(yè)的計算機輔助設計（CAD）軟件使植入物工程師能夠?qū)⑦@種表面結(jié)構(gòu)應用于金屬植入物。例如，利用Gen3D的Sulis Lattice模塊的隨機晶格功能，您可以控制隨機晶格的密度，并根據(jù)特定的醫(yī)療植入應用定制其屬性。
然后就可以設計植入體，使其滿足患者的預期承重條件，并在仿真軟件中進行測試。
3D植入物是如何制造的？
骨科植入物主要是金屬，但有時也使用陶瓷（有時也使用一種名為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，有時也使用定向能沉積技術(shù)進行3D打印。鈦合金、鈷鉻合金和不銹鋼因其出色的機械強度、無細胞毒性和良好的耐腐蝕性成為最常見的材料選擇。
未來的增材制造植入物
鈦合金脊柱植入物（來源：Shining 3D）
骨科植入物制造商采用3D打印技術(shù)并不只是因為它能夠制造復雜的表面結(jié)構(gòu)，盡管這已經(jīng)是足夠的理由。目前正在測試中的3D打印技術(shù)還有更多優(yōu)點，我們將在未來幾年看到這些優(yōu)點，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，隨著時間的推移，病人的骨骼與植入物結(jié)合，植入物會降解，并被人體骨骼結(jié)構(gòu)所取代。
2、個性化植入物。目前，我們根據(jù)患者的體型定制植入體，但在不久的將來，我們將能根據(jù)患者的年齡、骨密度要求和營養(yǎng)生長要求定制植入體。我們將能夠獲取患者的特定掃描和測試數(shù)據(jù)，然后將其整合到我們的CAD軟件中，為每位患者設計定制的3D打印植入體。
目前，鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)制造方法最常用于制造不需要獨特結(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，這種情況可能會發(fā)生變化。
2022年2月發(fā)布的最新研究報告指出，骨科"智能植入物"領域可能會在疾病診斷和治療中發(fā)揮重要作用。"報告指出："隨著3D打印技術(shù)和材料的進步，多層和多材料電子裝置的制造可以實現(xiàn)。迄今為止，智能骨科植入物已被用于骨愈合評估、膝關節(jié)受力分析、脊柱融合監(jiān)測和髖關節(jié)假體松動監(jiān)測。
編譯整理：ALL3DP
