中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2019年 9月25日-27日 | 上海世博展览馆

3D打印多孔金属技术在骨科的应用研究

2018-11-16

骨损伤和缺损的治疗一直是骨科领域面临的关键难题,采用3D打印多孔金属技术制备骨缺损替代物是解决这个难题的一种方法。本文主要介绍3D打印多孔金属技术的基本原理及技术发展,探讨其在骨科领域的研究新进展与未来应用前景,总结目前该技术的不足。


1.3D 打印多孔金属技术的原理及技术发展

 

       3D打印多孔金属技术,是3D打印技术的一种,其运用粉末状金属为材料,是一种把数字模型文件进行转换,通过逐层堆叠累积,制造出所需要结构的三维多孔金属的先进技术。所谓的3D打印技术诞生于20 世纪80 年代中期,人们开始尝试将数字资源打印成三维立体模型。随着3D打印技术的不断完善,流程简单、成本相对较低的3D打印多孔金属骨缺损替代物技术如何更好地服务于临床骨科领域越来越受到关注[1]。在材料设计上,通过引入孔隙来降低金属种植体的弹性模量,促进组织再生与重建,同时还有利于新生骨的长入而使多孔金属与骨组织形成良好的机械锁合。因此3D打印多孔金属技术为临床骨缺损治疗提供了一种很好的解决方法。


       近年来3D打印多孔金属技术取得的新进展:①在多孔结构建模与加工工艺参数调整方面:2014 年,戚留举等[2] 通过运用三维软件Solid Works,设计截角八面体多孔结构,利用有限元分析软件ANSYS模拟应力、应变,确定能承受载荷的结构参数。理论模型建立基于理想化的结构特征,如均匀的球形、圆柱形、蜂窝状或立方形孔隙,而实际应用需求的材料中孔隙应该是不规则的,且其分布也并不完全均匀。因此,技术方面需要根据实际应用的个性化需求,采用分区设计思想,兼顾力学特性,优化多种孔结构的排列与分布,以获得满足实际临床需求的结构。②在多智能算法集成方面:2010 年,中国科技大学彭飞等提出了一种新型多方法融合的框架Algorithm Portfolio,多个算法可以纳入在这个框架内,综合互相通信,并且实现协同工作。2015 年,贾凌云等提出了一种超启发式算法,这种算法的基础是混合蛙跳与遗传规划,通过对混合蛙跳算法的改进构建高层框架,同时利用遗传规划产生可以兼顾多因素的优质规则,用于扩充超启发式算法的规则集[3]。3D打印多孔金属技术中引入人工智能优化工具,为实现人工智能引领智能制造打下了基础。

 

2.3D 打印多孔金属技术在骨科领域的研究进展与应用前景

 

2.1 3D 打印多孔金属技术在骨科领域的研究进展


       随着3D打印技术的逐步成熟,其在工程制造的各个领域都表现出了其良好的应用适应性,不仅如此,随着不断的技术应用扩展,其在临床相关各科中也展现出越来越多的应用空间。在实际临床骨科手术中,在骨科手术的相关替代物

方面,3D打印多孔金属技术的发展将带来前所未有的变革。


       在骨科关节置换手术方面,3D打印多孔金属技术很好地体现了其相对于传统手术的优越性,每个患者的骨骼形态构造都是不同的,传统的假体只有简单的规格型号,并不能适应每一个个体,如何能使假体完美地与患者的原有骨骼完全匹配,一直是骨科医生追寻解决的问题。而3D打印多孔金属技术很好地解决了这一问题,通过这一技术,骨科医生可以获得适应每一个患者的假体。3D打印多孔金属技术能根据采集的每个患者的精确数据定制假体,并可以模拟手术及实际应用,有效地提高了假体的适应度和置入位置的准确率,对于关节严重畸形和关节置换翻修手术更有意义。与传

统手术方式相比,手术时间大大缩短,术中出血减少。大大降低了手术带来的副损伤[4]。


       在处理复杂骨折方面,3D打印技术可以在三维层面将复杂骨折清晰的呈现在手术医生面前,术前提供形象的手术模拟,使手术医生对骨折修复手术有全面的掌握和具体的操作体验。3D打印的多孔金属结构可以准确地反映骨折的分型,多孔金属结构设计使替代物更符合生物力学的要求。复杂骨折的多发骨缺损,骨折的复位固定及骨折愈合后的力学稳定性问题都可以通过3D打印多孔金属技术得到解决。


2.2 3D 打印多孔金属技术在骨科的应用前景


       3D打印多孔金属技术在骨科的应用发展主要有两个方面:一是在工程技术方面:随着技术的不断完善,3D打印多孔金属技术将应用生物启发式多智能算法融合理论与优化方法,通过解决多孔材料多层级结构设计、激光加工工艺参数优化等技术问题,其将更好地构建出多孔金属设计,同时其相关理论和工艺创新也将对推动3D打印整体工艺的发展。另一方面,在骨科临床应用上,通过3D打印多孔金属技术可以在术前构建三维实体模型,为实际手术提供模拟演练。随着应用技术的完善,3D打印还可以制备出个性化假体及骨缺损替代物,进一步完善构建组织工程支架等复合培

养,真正把3D打印多孔金属技术应用于骨科手术。总的来说,该技术在骨科领域将具有更加广泛的应用前景。


3.3D 打印多孔金属技术存在的不足

 

       目前3D打印多孔金属技术也存在不足,一方面,在技术层面,3D打印设备昂贵,数据的精确3D转化,多孔金属材料的优化,3D模型的批量生产等问题需要解决;另一方面,如何促进实验室成果向临床应用转化,相关医学伦理及知识产权问题,也是制约其发展的因素[5]。这些问题需要工程学、影像学、生物学与临床医学等相关领域共同合作探索解决。