張靖專訪：清華物理系學(xué)霸率隊實現(xiàn)新型骨科植入器械，成為中國首家該領(lǐng)域FDA過審公司

來源：DeepTech深科技

第一次見到 3D 打印就被這種極致的美所吸引，當(dāng)時正在清華物理系讀大三的張靖就這樣對 3D 打印 “一見鐘情”，他找到了自己想要追尋的未來，毅然決然選擇從事 3D 打印領(lǐng)域的研究。

“從 2007 年到現(xiàn)在，我一直在 3D 打印這個領(lǐng)域深耕，” 張靖直言，“一頭扎進去就一發(fā)不可收拾。”

2017 年，張靖與哈佛大學(xué)、美國南加州大學(xué)、清華大學(xué)、麻省理工學(xué)院的博士及科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)立了一家 3D 打印骨科器械的科技公司 ZSFab, Inc.（智塑健康），他是這家公司的 CEO。

2021 年 1 月，該公司首款 3D 打印頸椎融合器獲得美國食品藥監(jiān)局（FDA）的 510(k) 上市許可，成為中國首家 3D 打印骨科植入物產(chǎn)品獲得FDA認證的科技公司。

△ZSFab 3D 打印植入物示意圖

一次談話堅定了用 3D 打印為骨科醫(yī)療做貢獻的決心

目前全球范圍內(nèi)的工業(yè)級 3D 打印主要應(yīng)用集中在交通運輸、航空航天、工業(yè)裝備、消費級電子產(chǎn)品、醫(yī)療五大領(lǐng)域。張靖之所以踏入醫(yī)療行業(yè)，他認為這也是冥冥之中的一種緣分，始于 2014 年他和一位骨科醫(yī)生的談話。

“當(dāng)時一位骨科醫(yī)生找到我，向我傾訴了自己在為患者選擇骨科器械植入物時內(nèi)心的糾結(jié)，他在有限的植入物中已經(jīng)選擇了最適合患者的那一款，然而他心里清楚這款依然不是很適合患者。” 張靖告訴 DeepTech。

這表明了傳統(tǒng)醫(yī)療器械制造的局限性，無法針對患者進行個性化定制，只能基于現(xiàn)有植入物選擇最適合患者的款式。

這次談話讓張靖感觸很深，他了解到這的確是當(dāng)時骨科醫(yī)療器械的瓶頸所在，于是利用 3D 打印幫助改造骨科醫(yī)療行業(yè)的想法，開始在他心中生根發(fā)芽。

隨后他與腫瘤科、婦產(chǎn)科、皮膚科等科室醫(yī)生作了交流，他發(fā)現(xiàn)骨科器械領(lǐng)域是 3D 打印的最佳匹配應(yīng)用場景。不僅場景匹配，骨科器械植入物用到的鈦合金材料正是他從 2007 年就開始研究的領(lǐng)域；而在此時金屬 3D 打印技術(shù)也已經(jīng)成熟，應(yīng)用端爆發(fā)即將到來。這些堅定了他要用 3D 打印為骨科醫(yī)療領(lǐng)域做出貢獻的決心。

扎實的技術(shù)給予團隊十足的野心

提到 ZSFab 的 3D 打印技術(shù)，張靖言語之間滿是自豪：“我們是中國首家 3D 打印骨科醫(yī)療器械通過美國 FDA 審評的科技公司�！�

ZSFab 的 3D 打印產(chǎn)品 FDA 審批耗時比美國同類產(chǎn)品的平均審評時間快了 1/4 周期。

審批認證難，不是因為審批的問題，而是企業(yè)從技術(shù)手段和產(chǎn)品驗證上并沒有嚴密的論證產(chǎn)品的有效性和安全性�！拔覀冊诋a(chǎn)品的設(shè)計和驗證上面下足了功夫�！� 張靖說道。

△2021 年 1 月美國 FDA 審批通過的 ZSFab 3D 打印頸椎融合器

據(jù)悉，ZSFab 采用激光選區(qū)融化（SLM) 金屬 3D 打印工藝，以鈦合金粉末為原料，粉末顆粒度約為 30 微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲上可以并排放下 3~4 個粉末顆粒。

張靖團隊自主開發(fā)了一套數(shù)字材料算法，能夠根據(jù)應(yīng)用需求，精準實現(xiàn)材料設(shè)計和打印成形。算法實現(xiàn)的精準控制包括：精準控制孔徑參數(shù)，包括孔隙率以及適合骨長入的孔隙參數(shù)；針對金屬 3D 打印工藝進行優(yōu)化，有效去除殘留粉末；定制應(yīng)用端所需外形及力學(xué)性能，可調(diào)整剛度，提高共形及力學(xué)性能匹配度。

他們開發(fā)設(shè)計的骨骼植入物，經(jīng)過動物實驗的驗證，骨組織能夠成功長入植入物，實現(xiàn)骨械一體化，遠優(yōu)于當(dāng)前骨科主流產(chǎn)品的效用。

△ZSFab 鈦合金 Cage 實驗組   上下終板處可見新生骨與融合器界面緊密結(jié)合，骨融合效果良好

實驗用的大型動物是羊，上圖為植入后 6 個月的復(fù)合效果。其中紅框里面藍色部分表示骨骼，黃色部分則為植入物�！霸� X 光下我們可以清晰地看到植入物的位置，還可以看到骨骼不僅長到了它的周邊，還長到了它的內(nèi)部。骨骼和植入物形成了一個很好的復(fù)合材料，既符合力學(xué)，又保證骨骼內(nèi)部養(yǎng)料能夠充分滋養(yǎng)骨骼，因此骨骼就能長得非常結(jié)實。” 張靖告訴 DeepTech。

ZSFab 植入物在 X 線清晰可見，而現(xiàn)在脊柱融合的主流材料——傳統(tǒng) PEEK (聚醚醚酮）制作的融合器，如下圖所示，紅框中看不到植入物，因為 PEEK 在 X 光下完全透明。如果醫(yī)生想了解患者術(shù)后的康復(fù)情況，則無法高效地獲取相關(guān)信息。

△PEEK Cage 對照組，植入物不可見、周邊無骨長入

目前，各類骨科植入物在人體內(nèi)的應(yīng)用時間有限，如進口質(zhì)量好的人工關(guān)節(jié)產(chǎn)品也僅有約 15 年的壽命。張靖和團隊希望能夠通過他們的技術(shù)讓植入物在體內(nèi)應(yīng)用的時間不斷延長，他們的最終目標(biāo)是 “一次植入，終身受益”。

打破傳統(tǒng)制造局限性，在保證安全性的基礎(chǔ)上展現(xiàn)個性化優(yōu)勢

大三那年，讓張靖一眼相中 3D 打印領(lǐng)域的原因，不僅僅是基于它的美感，更是因為它可以突破傳統(tǒng)制造的局限性，從而展現(xiàn)個性化優(yōu)勢，只要從計算機端把結(jié)構(gòu)設(shè)計出來，理論上可以做出任何一個復(fù)雜的形狀。

懷揣著對 3D 打印的熱愛，張靖決定將其應(yīng)用于骨科器械，實現(xiàn)并推進材料的數(shù)字化，服務(wù)于個性化的健康需求。

“我們能夠根據(jù)患者自己本身的骨骼特性，從他骨骼的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)中把一些參數(shù)提取出來，” 張靖說道。再依據(jù)該團隊自主開發(fā)的算法，就能夠?qū)崿F(xiàn)精準控制孔徑參數(shù)，使其符合不同患者的骨長入需求范圍和清粉范圍要求，同時能夠定制應(yīng)用端所需力學(xué)性能，降低剛度，提高匹配度。

“我們的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)這種非常復(fù)雜的各類孔型的分配，讓骨骼更加快速高效地長入。” 同時他們可以根據(jù)患者的醫(yī)學(xué)參數(shù)調(diào)整利于骨骼長入的孔徑范圍，目前這個范圍在 400~1000 微米之間。

△改變多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)可以定制孔徑及孔隙率

定制化的孔徑及孔隙率能夠高效實現(xiàn)患者的骨長入，下圖為張靖團隊做的毛細現(xiàn)象實驗，“可以看到當(dāng)植入物放到體液中后，體液可以迅速從下向上與植入物融合。若植入物放入患者體內(nèi)，可以想象為體液中的成骨細胞等相關(guān)細胞、因子能夠迅速與其融合，實現(xiàn)高效的骨長入。” 張靖告訴 DeepTech。

△骨長入毛細現(xiàn)象實驗

此外，對于任何醫(yī)療器械來說，安全性都至關(guān)重要。張靖也向 DeepTech 介紹了這種 3D 打印醫(yī)療器械存在的安全隱患，比如打印完成后器件表面和內(nèi)部都可能有粉末的殘留，很可能后續(xù)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松，對于患者來說風(fēng)險很高。

盡管 ZSFab 在 3D 打印中用到的原材料也是鈦合金粉末，但張靖表示，“我們可以通過設(shè)計和工藝避免粉末的殘留。”

“我們比較在乎的方面，一個是實現(xiàn)植入物與人體的力學(xué)匹配，另外一個是讓骨骼成功長入植入物內(nèi)部，使其很好地融合。兩個層面都要求植入物的結(jié)構(gòu)具有很高的精確度，而我們用到的激光選區(qū)融化金屬的工藝，是當(dāng)前能夠?qū)崿F(xiàn)非常高精度制造的工藝�！� 張靖告訴 DeepTech。


改變材料科學(xué)的發(fā)展思路：從面向材料，變?yōu)槊嫦驊?yīng)用
從學(xué)術(shù)研究走向商業(yè)落地，張靖也直言最大的感觸就是要以應(yīng)用為導(dǎo)向。

他意識到，數(shù)字材料的應(yīng)用不僅在骨科植入物，該設(shè)計工藝能夠?qū)崿F(xiàn)對金屬、陶瓷和聚合物材料的改進，讓材料科學(xué)的發(fā)展思路發(fā)生本質(zhì)改變：從面向材料，變?yōu)槊嫦驊?yīng)用。

本科畢業(yè)后，張靖來到清華大學(xué)機械系繼續(xù)讀研，在中國第一個 3D 打印實驗室負責(zé)電子束選區(qū)熔融成形的數(shù)字化升級項目。后來他又在美國南加州大學(xué) USC Viterbi 工程學(xué)院獲得了博士學(xué)位，期間師從美國兩院院士、“3D 打印建筑之父” Behrokh Khoshnevis 教授，博士期間還獲得了美國 NASA 挑戰(zhàn)賽特等獎。

碩博時期，張靖帶隊完成了各種 3D 打印項目，包括高熔點金屬、陶瓷、尼龍的 3D 打印，并成功將硫磺水泥應(yīng)用于 3D 打印建筑的硏發(fā)。

△張靖

對于 3D 打印材料，張靖再熟悉不過，他告訴 DeepTech，“一種新材料的出現(xiàn)，都是以 10 年或者 20 年甚至更長的時間為一個周期。但是對于性能的需求，比如骨骼的不同部位，它的力學(xué)需求是不一樣的，以傳統(tǒng)的思維方式來看，就需要開發(fā)一種新材料去滿足不同部位的需求�！�

“后來我發(fā)現(xiàn)新材料的開發(fā)速度往往跟不上需求的變化。一方面新材料的開發(fā)需要改變化學(xué)成分，工藝成熟的時間很長；另外對于面向的應(yīng)用場景，人體需要獨立性的驗證，這又是以 10 年為周期。” 張靖說道。所以他們選擇不改變材料的化學(xué)性質(zhì)，比如使用在人體醫(yī)療使用安全驗證了半個世紀之久的鈦合金，通過改變結(jié)構(gòu)實現(xiàn)力學(xué)方面性能的改變，以快速應(yīng)對應(yīng)用需求。

張靖團隊研究的數(shù)字材料，是指通過維度壓縮來實現(xiàn)性能超越。比如將又硬又脆的石英玻璃變?yōu)楣饫w，這是一維結(jié)構(gòu)硬質(zhì)材料的柔性化；把鋁錠變?yōu)殇X箔，這是二維結(jié)構(gòu)硬質(zhì)材料的柔性化；張靖團隊用到的數(shù)字材料是從三維結(jié)構(gòu)出發(fā)進行定制化，也就是將金屬粉末變?yōu)閿?shù)字材料結(jié)構(gòu)。

他相信，數(shù)字材料能夠把研發(fā)時間大幅縮短，比如從 10 年縮短至 6 個月，“對于整個數(shù)字材料開發(fā)來說應(yīng)該是一個顛覆性的進展，而且它的發(fā)展思路也是極大的轉(zhuǎn)變。從面向材料變?yōu)槊嫦驊?yīng)用，根據(jù)需求予以實現(xiàn)�！�

張靖認為，未來的骨科植入物，3D 打印必然會取代傳統(tǒng)工藝。植入物在美國市場，有報道預(yù)測 2026 年 3D 打印植入物應(yīng)用量將超過傳統(tǒng)骨骼植入物，到 2030 年左右，3D 打印或?qū)⒄急?90% 以上。

因此他對 3D 打印骨科材料的市場充滿期待，他表示，在數(shù)字材料方面骨科大概有 4000 億人民幣的市場，如果把牙科等醫(yī)療領(lǐng)域的器械包括起來，僅僅在鈦合金材料上就擁有 8000 億的市場。若要放眼鈦合金在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，就是一個數(shù)萬億級別的市場。

張靖和團隊的使命不止于此，他們甚至希望未來能夠改變整個材料領(lǐng)域。

“對于材料來講，以往完全依賴于化學(xué)成分的改變，我認為這可能會成為一個歷史。那么我們把化學(xué)材料的改變跟數(shù)字材料這樣一個結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，擁抱的則是以數(shù) 10 萬億為基礎(chǔ)的市場級別。所以 ZSFab 的大目標(biāo)是通過提供這樣一個底層的技術(shù)，對整個材料市場進行一次重構(gòu)�！� 張靖說。