全球首例,！“3D打印+仿生”鉭金屬多孔股骨頭支架植入人體

來源： 三湘都市報

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的階段,，保髖治療成功率相對較高。否則,，一旦壞死持續(xù)進展,，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)進行配準(zhǔn),，建立了計算機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,，團隊試驗了近1年才打印出滿意的支架。

此外,，胡懿郃教授團隊還在鉭金屬棒內(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制�,！崩座i飛博士后說,。

幾分鐘抵達病灶，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,，又可以直達病灶，精準(zhǔn)地將鉭金屬棒植入進入,，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到了病灶,，將股骨頭內(nèi)壞死的骨質(zhì)從進針通道內(nèi)取出,，再植入鉭金屬棒，整個手術(shù)時間不到半個小時,�,！焙�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隊創(chuàng)新運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)。

“股骨頭壞死是進展性的,，目前發(fā)病機制不明,，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�懿郃教授表示。

據(jù)悉,，湘雅醫(yī)院骨科胡懿郃教授團隊將繼續(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)療健康貢獻力量,。


來源： 三湘都市報