西安交通大學(xué)教授王玲：個性化人工內(nèi)植物的設(shè)計評價與臨床應(yīng)用

2019年9月19-21日，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇將在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�。╊I(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場全程報道。

2019年9月 20 日“增材制造技術(shù)與生物醫(yī)療論壇”，西安交通大學(xué)教授王玲做了主題是《個性化人工內(nèi)植物的設(shè)計評價與臨床應(yīng)用》的報告。

下面是現(xiàn)場速記：


大家上午好！我來自西安交通大學(xué)的王玲，非常感謝這次的邀請，能夠有機(jī)會參加這樣一個盛會，同時今天希望跟大家分享的是個性化內(nèi)植物方面的進(jìn)展。

一、目的與意義
大會的主題是增材制造，五年前問大家這還是一個新的名詞，而現(xiàn)在已經(jīng)做到家喻戶曉，對于增材制造的工藝優(yōu)勢是顯而易見的，適合小批量個性化的制造。無論是軍用還是民用，隨著個性化需求的日益突出，增材制造整個在我們制造領(lǐng)域是如火如荼的展開，特別是3D打印醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面。隨著中國制造2025的提出，必須趕超一些前沿的國家，甚至希望自己在很多方面能夠做到領(lǐng)軍前沿，最主要是有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，有我們的設(shè)計在里面。這里面?zhèn)�性化的需求十分明顯，這也是為什么在生物醫(yī)療方面，3D打印增材制造工藝已經(jīng)成為在制造業(yè)的一枝獨(dú)秀。從醫(yī)療的國家需求來講，對生命質(zhì)量越來越重要，基于醫(yī)療器械大的背景，過去幾十年雖然我們都在使用器械，但是也很清楚在器械方面大部分依賴于進(jìn)口，雖然我們國家有很多的產(chǎn)品，但是不會不承認(rèn)我們很多的產(chǎn)品還是跟國外許多產(chǎn)品是照搬來的。有時候他們拿過來做測試的一些產(chǎn)品，為什么這兒有一個孔，那兒有一個什么樣的結(jié)構(gòu)，也許廠家并不清楚。但慢慢的我們這些都會去突破，這方面導(dǎo)致也形成了3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成為重要的發(fā)展方向之一。

3D打印的作用在個性化內(nèi)植物方面有兩個方面，一是外形的制造。因?yàn)槊總�人是不同的，每個人不同的部位缺損的部位也是不同的，在這個時候我們制備工藝恰恰應(yīng)運(yùn)而生，能夠?qū)崿F(xiàn)最基本的匹配。除此之外還有功能方面的需求，這就體現(xiàn)在內(nèi)部唯一結(jié)構(gòu)的制造。我們?nèi)梭w的不同部位都是有序的，而且不同的，這樣就需要采用3D打印的工藝，把這個循環(huán)系統(tǒng)的有序性能夠完好的體現(xiàn)出來。所以這需要三個方面的整合，生物醫(yī)學(xué)方面，醫(yī)學(xué)提出最基本的需求，還有生物材料，最后是跟增材制造這一塊兒三個領(lǐng)域緊密的結(jié)合，才能夠?qū)崿F(xiàn)對于個性化真正的精準(zhǔn)。醫(yī)學(xué)教授講的是精準(zhǔn)治療，還有精準(zhǔn)的風(fēng)險控制，所以這方面它的難點(diǎn)是生物性對于設(shè)計制造的要求，另外是如何把材料和制造工藝真正的統(tǒng)一起來，能夠?yàn)榕R床的功能需求進(jìn)行服務(wù)。

二、金屬植入物——功能設(shè)計
現(xiàn)在我們?nèi)诤掀鞣矫嬗玫谋容^多，臼杯也達(dá)到了注冊證，但是難道有一臺打印機(jī)就可以解決問題嗎？這里面涉及到科學(xué)性。剛才幾位教授講到，因?yàn)樵O(shè)計的很好，但是植入進(jìn)去會斷，我們有的時候在想，我把它的自由度放開之后，反而它的結(jié)合能力增強(qiáng)了，所以這里面有很多的機(jī)理，我們的設(shè)計制造要有相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)，不是我有一臺打印機(jī)就可以制造這個產(chǎn)品。我們根據(jù)解剖學(xué)形態(tài)的需求，最基本要滿足強(qiáng)度的需求。對于一個孩童來講，未來幾十年要依賴這樣一個金屬或者其他的假體，這時候強(qiáng)度是重中之重，也是目前在設(shè)計層面大家尤其關(guān)注的一個方面。除了這個方面之外，更需要關(guān)注的是一個功能，除了早期的穩(wěn)定性，還要強(qiáng)調(diào)遠(yuǎn)期的穩(wěn)定性，遠(yuǎn)期的穩(wěn)定性從何談起呢？我們猜測骨頭會長入，我們也希望20年之后長的很牢固，但是如何評價、如何預(yù)？這方面我們根據(jù)整個的文獻(xiàn)當(dāng)中，以及自己進(jìn)行的一些臨床實(shí)驗(yàn)方面的理論，骨假體界面之間的微動，以及性能對遠(yuǎn)期性能有影響。我們提出了打包整合假體設(shè)計的三大準(zhǔn)則，強(qiáng)度是第一的，強(qiáng)度必須先行億。其次是界面微動方面，然后保持長期永久的穩(wěn)定性。

所以我們開發(fā)了自己的設(shè)計流程，把整個強(qiáng)度準(zhǔn)則包含在設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，也包括跟其他設(shè)計理念相同的，從醫(yī)學(xué)圖像輸入找到幾何圖像的需求，以及運(yùn)動學(xué)信息，比如一個老年人對于各個部位的需求和一個青年人是不同的，一個人他的工作職業(yè)也決定了力學(xué)需求不同，我們突破了常規(guī)的設(shè)計理念，單純從個性化假體的外形，直接對應(yīng)到大家都以為，既然是多孔，需要軟一點(diǎn)的就變成均一的多孔就可以了。其實(shí)可以不可以，到后面不出五年的時間，大家一定會有這種感覺，多孔并不是一個設(shè)計的理念，因?yàn)檫@里面還存在很多的問題，這也是為什么講到的，在這方面是另外科學(xué)的一個分支，也是重要研究的一個方向。我們提出的理念是要把整個的醫(yī)學(xué)性能，基于所需要的醫(yī)學(xué)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化之后根據(jù)它的力學(xué)需求，計算過它的局部并不需要那么大的剛度和強(qiáng)度，這時候就會對它優(yōu)化，優(yōu)化之后進(jìn)行自己所獲得的信息進(jìn)行制備。通過傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)我們實(shí)現(xiàn)了彈性模量優(yōu)化結(jié)果，可以降低它的硬度和強(qiáng)度，多孔也可以允許骨長入。我們把宏觀的性能設(shè)計出來，如何映射到一個文件當(dāng)中，如何跟真正的制造結(jié)合起來，這里面就需要宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，我們接下來對多孔的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，對骨整合能力進(jìn)行評價，這方面我們做了大量工作，包括不同的多孔結(jié)構(gòu)，以及不同3D打印工藝下來對應(yīng)的。因?yàn)樵O(shè)計是這樣一個柔性，當(dāng)3D打印出來之后，由于工藝的一些缺陷以及不同的東西參數(shù)會導(dǎo)致設(shè)計出來的假體跟你原來設(shè)計的目標(biāo)是有很大差異的。我們通過調(diào)整單元幾何形貌獲得與骨相近的力學(xué)性能，我們可以看到不同的地方、不同的局部有不同的孔隙結(jié)構(gòu)。進(jìn)行了一些力學(xué)拔出實(shí)驗(yàn)，跟原來是沒有特別大的降低。我們利用這一套理論設(shè)計了金屬的產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)不同的顏色代表了不同的金屬的需求，也代表不同的微結(jié)構(gòu)需求，所以最后進(jìn)行了打印和后面的植入。

我們通過二次開發(fā)形成了自己的軟件，這個軟件和其他軟件不同的地方，是有我們自己力學(xué)分析的，這方面還是挺難的，會做分析的人要三五年才能培養(yǎng)成這樣一個熟手，我們做這個軟件的目的是希望生手能夠很快的通過編輯好的現(xiàn)成模塊，對于假體進(jìn)行設(shè)計。

三、非金屬植入物——PEEK
聚醚醚酮材料有良好的生物惰性，不會引起任何生物學(xué)方面，另外也避免了金屬假體所產(chǎn)生的一系列問題，比如輻射和熱導(dǎo)率這一塊兒。而且它的力學(xué)性能與骨頭特別的接近，我們團(tuán)隊是在傳統(tǒng)3D打印的基礎(chǔ)上，對一個裝備進(jìn)行了改進(jìn)，形成了自己的控性冷沉積裝備。在傳統(tǒng)的工藝當(dāng)中，對于大尺度的PEEK的硬件進(jìn)行加工的時候，有翹曲問題，我們對這一方面很好的解決了，并且可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)控韌性。這是我們制備的一根胸肋骨，人體在受彎力的時候，需要的力學(xué)性能是不同的，我們通過力學(xué)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)局部的成分不同，局部的質(zhì)量不同，機(jī)械性能也會不同。

2017年4月份我們植入了第一例，和唐都醫(yī)院合作的第一例人工肋骨假體，我們之前做了大量的分析，對它的強(qiáng)度和很多生物性能方面進(jìn)行了確認(rèn)，2017年7月進(jìn)行了胸部的應(yīng)用。這里面涉及到一些設(shè)計的問題，大家會想到我們的肋骨都差不多，但每一個人都是不一樣的，我們自己的肋骨每一根也都不同，甚至包括同樣的肋骨從頭到尾橫截面積也是在變化的。這個時候我們要知道，要很清楚的了解打印工藝有什么缺陷，不是想打的時候都可以完美的展現(xiàn)出來。我們采用自己的一套設(shè)計算法，能夠快速準(zhǔn)確的為患者設(shè)計自己的肋骨，同時符合了熔融沉積的打印工藝，這是做的一系列分析和力學(xué)試驗(yàn)。這方面做的比較早，而且發(fā)了一篇特別好的內(nèi)容。世界層面上接受的也特別好。這是一例“巨瘤霸”，我們發(fā)現(xiàn)一體化成型有特別好的優(yōu)勢，患者一個月之后呼吸功能恢復(fù)了75%以上。這是跟西京醫(yī)院做的人工肩胛骨，我們做了兩個設(shè)計，一個是鈦合金的，一個是用的PEEK，因?yàn)椴粌H沒有那么大的減重需求，更重要的是完全恢復(fù)人體性能最原始的需求。我們通過工藝的調(diào)整，在邊緣部分和中間部分實(shí)現(xiàn)了不同的機(jī)械性能，我們的工藝和設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)局部韌性可調(diào)控。最后恢復(fù)了咬合能力，面對不同部位的時候，同樣是顱骨和盆骨，面對不同需求的時候要充分理解這些需求，同時針對這些需求進(jìn)行一系列的設(shè)計。你設(shè)計的東西和最終得到的樣品是否能夠完好的展現(xiàn)出功能需求，這個其實(shí)是需要一系列的積累和沉淀的。所以這里面我提出了一些設(shè)計方面的總結(jié)，重中之重是希望請大家尊重制造的可行性，無論你用的是哪一種工藝，要很清楚的知道弱點(diǎn)在哪里，所以設(shè)計的時候要進(jìn)行規(guī)避，否則打出來的性能是不可靠的。對于PEEK真正替代鈦合金，和骨融度方面是要提高的。

四、個性化人工盆骨植入物
我們課題組主要是跟西安的幾家大醫(yī)院合作，盆骨我們2015年第一例，進(jìn)行了一系列的強(qiáng)度的校合，當(dāng)時設(shè)計了八根，但實(shí)際并不需要那么多，后來我們提出了自己的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，這方面我們拓?fù)鋬?yōu)化的目的，是通過應(yīng)變能的方式節(jié)約體積，節(jié)約體積就減少了重量。這個發(fā)現(xiàn)在我們的文章當(dāng)中也有，四種缺損情況不同，對于不同的日常行為規(guī)范，比如一號缺損的時候，對它最有影響的姿態(tài)是從椅子上起身的姿態(tài)，二型是可以上樓梯的，當(dāng)缺損補(bǔ)充內(nèi)容不同的時候，哪一種是最有嚴(yán)峻的考驗(yàn)?zāi)�？所以設(shè)計方面有很多的經(jīng)驗(yàn)。

五、總結(jié)

在人體替代物方面，七八年前考慮的是仿形，而現(xiàn)在考慮的應(yīng)該是仿生，進(jìn)行軟組織的打印和軟組織的再造，同時適應(yīng)個性化患者所有的需求。歡迎大家來找我們合作！


謝謝！