北醫(yī)三院3D打印鈦合金多孔內(nèi)植物大段骨缺損修復(fù)技術(shù)
魔猴君 行業(yè)資訊 951天前
現(xiàn)行大段骨缺損治療的理念仍為借助自體、異體或人工骨移植填充的方式完成骨組織的替代與融合,即”骨-骨”界面融合,理論根深蒂固,而臨床療效欠佳。北京大學(xué)第三醫(yī)院等科研機構(gòu)的研究團隊,在一項研究工作中采用定制式3D打印鈦合金多孔內(nèi)植物進行大段骨缺損的修復(fù),實現(xiàn)了患者早期肢體功能恢復(fù)及遠期”內(nèi)植物-骨”界面的可靠融合,療效顯著提高。
提升早期及遠期療效
Article_Bone_1相關(guān)研究論文發(fā)表在Bioactive Materials期刊
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.03.030
該研究工作得到了中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部國家重點研發(fā)計劃(2016YFB1101501)支持。
傳統(tǒng)“骨-骨”融合治療理念
創(chuàng)傷、感染或腫瘤切除等原因造成的大段骨缺損一直是具有挑戰(zhàn)性的臨床難題。大約5%-10%的骨折會延遲愈合或不愈合,而幾乎所有的節(jié)段性骨丟失會導(dǎo)致骨折不愈合。在全球范圍內(nèi),每年有超過220萬例骨移植手術(shù)用于治療骨科、神經(jīng)外科和牙科的骨缺損。
大段骨缺損治療的經(jīng)典技術(shù)包括Ilizarov技術(shù)、通過生物膜誘導(dǎo)骨再生技術(shù)(Masquelet技術(shù))、自體血管化皮質(zhì)骨移植技術(shù)及鈦網(wǎng)(填充以自體或異體骨)植入技術(shù)。上述療法隨技術(shù)上各有特點,但實質(zhì)上均建立在“骨-骨”融合的理念之上,即于缺損區(qū)內(nèi)移植填充自體骨、異體骨或人工骨,通過骨組織的修復(fù)替代,最終完成缺損區(qū)兩端骨骼的連接與融合。
然而,臨床實踐表明這些治療方法并不理想,有時甚至并不可靠。一般通過Ilizarov手術(shù)進行骨搬運需要數(shù)月時間才能愈合,在此期間患者無法正?;顒印4朔椒ǜ鼰o可能用于多節(jié)段脊柱骨骼缺損的治療。Masquelet技術(shù)和自體血管化皮質(zhì)骨移植的方法有助于增強骨融合,但難以實現(xiàn)術(shù)后即刻穩(wěn)定。由于需要大量異體/自體骨作為移植骨材料,常需另外手術(shù)取骨(如髂骨取骨)。采用鈦網(wǎng)植入骨缺損區(qū)的方法在一定程度上為各種移植材料的應(yīng)用提供了便利,但其固定作用有限,且自身也存在容易松動、下沉或移位的不足。實際上,在某些解部位,如干骺端,Ilizarov和Masquelet等技術(shù)也難以應(yīng)用。
綜上,建立在“骨-骨”融合理念與理論基礎(chǔ)上的各種傳統(tǒng)技術(shù)在治療大段骨缺損時存在諸多不足或缺陷:治療過程漫長,而術(shù)后患者肢體無論即刻、早期,或術(shù)后較長時間內(nèi)均無法負重。
3D打印多孔鈦合金內(nèi)植物
“內(nèi)植物-骨”界面融合
與上述需要大量異體/自體骨填充的方式相比,應(yīng)用3D打印多孔鈦合金內(nèi)植物修復(fù)重建骨缺損似具有明顯優(yōu)勢,首先,可根據(jù)骨缺損的形態(tài)精準定制植入物與之匹配,且無需植骨;另外,可根據(jù)金屬假體的優(yōu)勢,設(shè)計固定裝置,實現(xiàn)內(nèi)植物與相鄰骨骼之間的即刻穩(wěn)定,以使患者做到術(shù)后早期離床活動;再者,可借助內(nèi)植物的多孔結(jié)構(gòu)特征,吸引相鄰骨組織長入其中,最終實現(xiàn)內(nèi)植物-骨界面的永久融合。
圖1.3D打印多孔Ti6A14V內(nèi)植物重建4 cm股骨缺損的放射學(xué)和生物力學(xué)分析。(A)植入后1個月、3個月和6個月的X線圖像(i-iii)植入后1、3和6個月的計算機斷層掃描圖像(iv-vi)。藍色箭頭表示缺損部位或植入物外表面新形成的骨。(vii)各組的放射學(xué)評分。(n=4)(B)處死后1、3和6個月組的microCT三維重建圖像(i-iii)(灰色表示鈦合金,綠色表示新生骨)。(ⅳ) 各組(n=4)內(nèi)植物周圍和孔內(nèi)區(qū)域骨體積分數(shù)的定量結(jié)果。
然而,應(yīng)用3D打印多孔內(nèi)植物修復(fù)骨缺損(尤其大段骨缺損)的臨床治療效果不僅需要隨訪病例觀察結(jié)果的證實,也需要相關(guān)動物實驗研究結(jié)果作為佐證。為此,研究團隊進行了比較深入與系統(tǒng)的探索與研究。
圖2. 3D打印多孔Ti6A14V內(nèi)植物重建股骨4cm缺損的生物力學(xué)分析。(A) 各組樣品的三點彎曲強度(n=4)(B)“內(nèi)植物-骨”復(fù)合體在(ii)1000 N、(iv)2000 N和(vi)3000 N下的應(yīng)力分布。“內(nèi)植物-骨”復(fù)合體在(i)1000N,(iii)2000N和(v)3000N下的位移分布.(**p<0.01,*p<0.05)。
鑒于傳統(tǒng)“骨-骨”融合方法在治療大段骨缺損方面的缺陷,同時基于對大段骨缺損病例進行探索性治療的經(jīng)驗與相關(guān)動物實驗觀察結(jié)果,研究團隊提出了一種新的大段骨缺損修復(fù)重建的技術(shù)與理念:即“內(nèi)植物-骨”界面融合。
圖3.3D打印多孔Ti6A14V內(nèi)植物重建修復(fù)4 cm長股骨缺損的組織學(xué)分析。(A) 1、3和6個月組的Goldner三色染色(i-iii)。(iv)三組種植體骨生長和種植體骨接觸率的定量結(jié)果。(v)各組礦化骨和類骨質(zhì)比率(n=10)(B)內(nèi)植物周圍和孔隙內(nèi)新生骨的熒光標記。(白色箭頭表示鈦柱,綠色和黃色條帶分別表示鈣黃綠素和四環(huán)素標記的新生骨)。(i)1-,(iii)3-和(v)6個月組內(nèi)植物周圍的骨整合情況。(ii)1-,(iv)3-,(vi)6個月組內(nèi)植物孔隙內(nèi)的骨整合情況。
基本思路為:a、采用3D打印多孔鈦合金假體植入骨缺損區(qū)的方式,將植入假體兩端與相鄰宿主骨連接固定,實現(xiàn)患者肢體的即刻(或早期)功能恢復(fù);b、將植入假體設(shè)計為多孔結(jié)構(gòu),以吸引相鄰骨組織長入其中及包繞其周圍,實現(xiàn)“內(nèi)植物-骨”界面融合。
圖4.3D打印多孔Ti6Al4V內(nèi)植物重建脊柱骨缺損(病例1)。(A) (i-vi)術(shù)后1個月(i)、3個月(ii)、7(個月iii)、12個月(iv)、24個月(v)和32(vi)個月的“內(nèi)植物-骨”X線圖像。藍色箭頭表示內(nèi)植物與骨界面或內(nèi)植物外表面新生骨。(B)術(shù)后3個月(i)、7個月(ii)、12個月(iii)、28個月(ⅳ)、32個月(v)和36個月(vi)的CT圖像。藍色箭頭表示種植體-骨界面或種植體外表面新形成的骨。
當(dāng)然,如果內(nèi)植物的多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)貫通式長入骨組織,形成“骨-骨”融合當(dāng)最為理想,但恐難成現(xiàn)實。然而,當(dāng)內(nèi)植物假體兩端有數(shù)毫米距離與宿主骨實現(xiàn)有效融合,則已經(jīng)能滿足患者恢復(fù)肢體運動功能所需。研究團隊將采用電子束熔融(EBM)技術(shù)制成的3D打印多孔鈦合金內(nèi)植物應(yīng)用于一組大段骨缺損病例的臨床治療,取得優(yōu)于預(yù)期的療效。同期,研究團隊利用小尾寒羊制造長節(jié)段股骨缺損模型來研究這種方法的骨整合特點,對臨床病例治療的效果提供支撐依據(jù)。
圖5.3D打印多孔Ti6Al4V內(nèi)植物重建股骨缺損(病例2)。末次術(shù)后即刻(A)和植入后2(B)、5個月(C)、8個月(D)、14個月(E)和20個月(F)重建的11cm股骨缺損的X線圖像。藍色箭頭表示內(nèi)植物和宿主骨之間的骨整合。
圖6.3D打印多孔Ti6Al4V內(nèi)植物重建骨盆骨缺損(病例3)。從(A)側(cè)位和(B)前后位拍攝的“內(nèi)植物-骨”復(fù)合體標本實物的照片。藍色箭頭所指“內(nèi)植物-骨”界面區(qū)域的位置(C) “內(nèi)植物-骨”界面的組織學(xué)圖像,顯示新生骨長入多孔內(nèi)植物孔隙內(nèi)。在(D)正中矢狀面,(E)冠狀面和(F)橫切面上“內(nèi)植物-骨”接觸區(qū)域的micro-CT圖像。
在這項研究中,研究團隊在不使用自體/同種異體骨移植或任何骨誘導(dǎo)劑的前提下,成功地通過3D打印多孔鈦合金內(nèi)植物治療了各種病因引起的大段骨缺損,獲得了即刻及長期的生物力學(xué)穩(wěn)定性。動物實驗表明,骨可以在一定程度上生長到孔隙中,并逐漸重塑,從而使“內(nèi)植物-骨”復(fù)合體實現(xiàn)長期力學(xué)穩(wěn)定。此外,這項研究還提出了一種新的“內(nèi)植物-骨”界面融合理念,用于治療大段骨缺損,該理念不同于傳統(tǒng)的“骨-骨”融合理念。
來源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guoneidongtai/42135.html