全球首例！“3D打印+仿生”鉭金屬多孔股骨頭支架植入人體
魔猴君 行業(yè)資訊 2023天前
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(dāng)骨小梁因股骨頭壞死而變得不再堅固，那房子就會搖搖欲墜，房頂也就離塌陷不遠(yuǎn)了。
近日，中南大學(xué)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(zhǔn)植入了一根定制的鉭金屬“房梁”，支撐起壞死的股骨頭，保住了患者的髖關(guān)節(jié)。此次由國內(nèi)團(tuán)隊自主創(chuàng)新研發(fā)的3D打印個性化定制仿生骨小梁多孔鉭金屬支架植入手術(shù)，在世界范圍內(nèi)尚屬首例，打破了國外的技術(shù)壟斷。
股骨頭壞死導(dǎo)致“房梁”斷裂
去年冬天開始，譚先生就經(jīng)常感覺腰背疼痛，只要多走幾步，右髖關(guān)節(jié)和右腹股溝區(qū)域就酸痛得厲害。他本以為是普通的腰椎間盤突出，然而輾轉(zhuǎn)好幾家醫(yī)院后卻最終被確診為II期股骨頭壞死。當(dāng)?shù)蒯t(yī)生建議他做關(guān)節(jié)置換手術(shù)。
正值青壯年的譚先生希望能盡量保住自己的髖關(guān)節(jié)，今年3月，他找到了湘雅醫(yī)院骨科主任胡懿郃教授。而此時，他只要下地行走，就會出現(xiàn)右髖強(qiáng)烈的疼痛，已經(jīng)無法工作，只能臥床在家，嚴(yán)重影響了他的生活。譚先生股骨頭里面的‘房梁’骨小梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷，但‘房頂’還未發(fā)生塌陷，對于這種早期的、青壯年的患者來說，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。
青壯年時期是患者關(guān)節(jié)活動量最大的階段，也是骨頭和血管再生能力最強(qiáng)的階段，保髖治療成功率相對較高。否則，一旦壞死持續(xù)進(jìn)展，導(dǎo)致股骨頭塌陷變扁后，髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面會被迅速破壞，患者將失去運(yùn)動能力和勞動能力，最終只能接受人工全髖關(guān)節(jié)置換。
醫(yī)工合作個性化定制鉭金屬“房梁”
譚先生股骨頭的新“房梁”，是胡懿郃教授團(tuán)隊自主研發(fā)的最新“秘密武器”——3D打印仿生骨小梁多孔鉭金屬支架。這一產(chǎn)品是國家重點研發(fā)計劃“3D打印個性化植入器械臨床應(yīng)用研究與推廣”的成果，由中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室和湘雅醫(yī)院骨科共同通過產(chǎn)學(xué)研醫(yī)平臺和醫(yī)工結(jié)合方式研發(fā)。
3D打印仿生骨小梁多孔鉭金屬支架
相比于目前最常用的鈦金屬來說，鉭金屬生物相容性更佳，人體不易發(fā)生排異反應(yīng)。更為重要的是，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(jié)構(gòu)，骨組織長入速度大大高于鈦金屬，可以促進(jìn)骨細(xì)胞快速長到鉭金屬棒的孔隙中。然而，目前全球少數(shù)幾家制作此種材料的公司，制造的是“均碼”的圓柱體鉭金屬棒，其規(guī)則的“蜂巢狀”孔隙結(jié)構(gòu)也并未十分切合人體骨小梁結(jié)構(gòu)。那么，如何才能讓鉭金屬“房梁”更好地發(fā)揮支撐作用呢？
在胡懿郃教授的指導(dǎo)下，湘雅醫(yī)院骨科醫(yī)師、生物醫(yī)用材料博士后雷鵬飛組織醫(yī)工交互團(tuán)隊通過精心設(shè)計和3D打印技術(shù)，為譚先生個性化定制了一根鉭金屬“房梁”。根據(jù)譚先生的CT和MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，建立了計算機(jī)3D模型，可以精確根據(jù)患者實際的骨壞死區(qū)域，通過金屬激光3D打印來個性化定制鉭金屬棒。
進(jìn)口的鉭金屬棒產(chǎn)品頂端是圓柱體的平面，在與圓弧型的股骨頭接觸時，只有單個的接觸點受力。而我們特地根據(jù)3D模型把頂端設(shè)計成弧形，這樣就與股骨頭關(guān)節(jié)面的弧度更為匹配，通過面的接觸來增加支撐效果，可以更好地預(yù)防塌陷。
3D打印仿生骨小梁結(jié)構(gòu)，促進(jìn)骨組織快速生長
當(dāng)自體骨組織長入鉭金屬棒后，“房梁”才會更加穩(wěn)定。那么，該如何加快骨組織的長入速度呢？胡懿郃教授團(tuán)隊創(chuàng)新采用了“仿生”的方法。
我們通過與算法工程師緊密合作，根據(jù)譚先生骨小梁不規(guī)則的結(jié)構(gòu)來設(shè)計，比起進(jìn)口的鉭金屬棒規(guī)則的‘蜂巢’型結(jié)構(gòu)，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(dǎo)骨長入。胡懿郃教授表示，鉭金屬支架的孔隙率要求非常嚴(yán)格，孔隙太大將不利于骨組織生長，而孔隙太小導(dǎo)致支架太重，與人體骨骼的差別又很大。
這一設(shè)計的實現(xiàn)并不容易，通過傳統(tǒng)的機(jī)械加工或者化學(xué)氣相沉積無法實現(xiàn)，只有3D打印才可以做到。而鉭金屬作為難熔金屬，在3D打印過程中，對粉體性能、激光熔化參數(shù)、設(shè)備穩(wěn)定性、鋪粉質(zhì)量、打印精度等要求都非常高，團(tuán)隊試驗了近1年才打印出滿意的支架。此外，胡懿郃教授團(tuán)隊還在鉭金屬棒內(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(shù)后大概2個星期就可以長進(jìn)去，最終實現(xiàn)多孔鉭金屬棒和人體的完全融合。
“我們在鉭金屬棒的尾部設(shè)計了螺旋形自鎖定裝置，類似于‘膨脹螺絲’，患者術(shù)后活動就不用擔(dān)心鉭金屬棒退出來；后期我們還將設(shè)計壓配打擊植入的鎖定機(jī)制?！崩座i飛博士后說。
幾分鐘抵達(dá)病灶，半小時完成手術(shù)
鉭金屬“房梁”做好后，如何通過手術(shù)精準(zhǔn)植入也非常重要。雷鵬飛博士后運(yùn)用3D打印技術(shù)制造了一個“雙導(dǎo)向”手術(shù)導(dǎo)板，既可以精準(zhǔn)定位手術(shù)入口和路線，便于進(jìn)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(dá)病灶，精準(zhǔn)地將鉭金屬棒植入進(jìn)入，大大減少了手術(shù)時間和對患者組織的損傷。
醫(yī)生模擬手術(shù)前的導(dǎo)板
“傳統(tǒng)的手術(shù)方式，即便是有經(jīng)驗的醫(yī)生，也需要多次嘗試打入導(dǎo)針，這樣不僅會延長手術(shù)時間和增加術(shù)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(shù)導(dǎo)板的指引下，我們僅僅幾分鐘就達(dá)到了病灶，將股骨頭內(nèi)壞死的骨質(zhì)從進(jìn)針通道內(nèi)取出，再植入鉭金屬棒，整個手術(shù)時間不到半個小時。”胡懿郃教授表示。術(shù)后第一天，譚先生就坐起來了，傷口區(qū)域沒有疼痛；術(shù)后第二天就可以站起來了。為了確保骨長入，專家建議他早期部分負(fù)重。他的手術(shù)傷口采用美容縫合無需拆線，還覆蓋上了最近胡教授團(tuán)隊創(chuàng)新運(yùn)用的生物半透膜敷料，無需換藥還可以立刻洗澡，這使得譚先生真正實現(xiàn)了快速康復(fù)。
“股骨頭壞死是進(jìn)展性的，目前發(fā)病機(jī)制不明，也沒有有效的根治方法。對于年輕的股骨頭壞死早期患者，我們希望能通過新的材料和手術(shù)方法，盡量保住他們的髖關(guān)節(jié)，延緩股骨頭壞死的速度，避免患者過早接受髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。如果骨頭生長情況好，患者甚至可以不用接受髖關(guān)節(jié)置換術(shù)?！焙侧A教授表示。據(jù)悉，湘雅醫(yī)院骨科胡懿郃教授團(tuán)隊將繼續(xù)致力于研發(fā)3D打印個性化仿生多孔鉭金屬植入物修復(fù)骨缺損，為骨關(guān)節(jié)臨床提供新思路、新方法和理論依據(jù)，并集成數(shù)字技術(shù)和現(xiàn)代人工智能，產(chǎn)學(xué)研自主創(chuàng)新研發(fā)，為我國骨科植入醫(yī)療技術(shù)和人們醫(yī)療健康貢獻(xiàn)力量。
