3D打印鈦合金植入物對骨骼生長的有效性評估

導(dǎo)讀：鈦及鈦合金因其良好的生物相容性被廣泛的應(yīng)用在骨科、牙科、口腔等醫(yī)用領(lǐng)域，在結(jié)合了3D打印技術(shù)的一體化構(gòu)建能力后，鈦合金可以被加工成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個性化定制化的醫(yī)用植入物。3D打印鈦合金植入物的新模式極大減少了原材料浪費(fèi)，節(jié)約了人工和時間成本，這是傳統(tǒng)加工所不具備的能力，未來也將擁有更為廣闊的發(fā)展空間。

2022年5月11日，南極熊獲悉，一組來自韓國醫(yī)院的研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)回顧性研究，以驗(yàn)證定制化3D打印鈦合金植入物在患者頜面骨上的有效性和安全性。

研究期間共觀察了16名患者，他們分別都接受了各種頜面部缺陷的重建手術(shù)。患者被安裝了定制的鈦合金植入物，并在連續(xù)數(shù)個月的時間里接受了長期的隨訪。

在安裝的28個植入物案例中，只有一個未能成功地與骨結(jié)合，而其他植入物在治療各種口腔和頜面缺陷方面展現(xiàn)出令人滿意的結(jié)果。

△鈦合金重建腫瘤引起的下頜骨缺陷。圖片來自《scientific reports》。

3D打印頜面部植入物

一段時間以來，為了提升治療效果，3D打印已被多次用于制備患者輔助醫(yī)用器械的手術(shù)指南中。最近，研究人員開始在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用3D打印來制造可以植入患者頭骨的面部移植物。例如，德克薩斯A&M大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種新型的3D打印支架，直接促進(jìn)手術(shù)后的骨細(xì)胞生長。

關(guān)于更多的終端應(yīng)用，魁北克工業(yè)研究中心（CRIQ）已經(jīng)部署了一臺GE Additive Arcam Q10 3D打印機(jī)，以加快制備病人特定的下頜骨植入物，而保利斯塔大學(xué)的研究人員，已經(jīng)為一位巴西癌癥幸存者3D打印了一個面部修復(fù)體，其中包括她的整個右眼結(jié)構(gòu)。

最近，加拿大衛(wèi)生部批準(zhǔn)了其第一個加拿大制造的3D打印醫(yī)療植入物，這是一個可定制的下頜骨板，主要用于口腔并發(fā)癥患者的面部重建手術(shù)。

△鈦合金下頜骨上的牙科植入物。圖片來自《scientific reports》。

回顧性研究

自體骨移植或植入是用于治療口腔和頜面缺陷的主要方法，雖然它們具有廣泛的生物相容性，但可能存在關(guān)于供體部位發(fā)病率、手術(shù)失敗和再手術(shù)困難的問題。

數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展為口腔頜面外科領(lǐng)域開辟了新的途徑，3D打印技術(shù)使手術(shù)更快、更準(zhǔn)確，特別是在鈦合金材料方面，其生物相容性已經(jīng)過驗(yàn)證，可以作為牙科植入物。

該研究記錄的手術(shù)中使用的頜面部鈦合金植入物是通過電子束熔化（EBM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝3D打印的�？偣灿�28個植入物被3D打印出來，然后被插入16名不同患者的上頜骨（面部的主導(dǎo)部分）、下頜骨（下顎）或顴骨（臉頰/乳頭）。

這些病人中，有7名女性和9名男性，年齡從9歲到78歲不等。共對28個缺陷區(qū)域進(jìn)行了手術(shù)，包括5個下頜段、9個顴骨、10個下頜體、角或下巴，以及4個上頜區(qū)域。

然后進(jìn)行了長期隨訪，每個病人的隨訪時間從8到79個月不等。該研究主要分析了鈦合金種植體的骨融合情況，但也記錄了術(shù)后感染、種植體錯位、功能效果、患者滿意度、沉降、種植體周圍的骨溶解以及出現(xiàn)的任何并發(fā)癥。

研究發(fā)現(xiàn)，在28個種植體中，只有一個沒有與骨結(jié)合。CBCT分析顯示，術(shù)后6個月的骨融合率為96.5%。該研究還觀察到，鈦合金植入物周圍沒有出現(xiàn)骨溶解（一種骨組織被破壞的漸進(jìn)式狀況）或沉降。

根據(jù)該研究，參加試驗(yàn)的患者總體上對他們的手術(shù)結(jié)果在美學(xué)和功能上都很滿意。不過，在五名進(jìn)行顴骨重建的患者中，有兩名患者由于對植入物的外觀不滿意而接受了修復(fù)手術(shù)。

△Treacher-Collins綜合癥患者的照片。圖片來自《scientific reports》。

回顧植入物

根據(jù)是否需要穩(wěn)定性，3D打印的植入物的骨與植入物接口被設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀或固體狀。由于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀鈦合金植入物的粗糙表面更有可能融入患者的骨骼，所以這款植入物是首選。

SLS能夠在高的燒結(jié)溫度下對鈦等金屬進(jìn)行增材制造，然而該技術(shù)由于尺寸精度有限，表面粗糙度差，目前正在進(jìn)行工藝改進(jìn)以改善其性能。EBM使用電子束而不是激光束來燒結(jié)或熔合材料。與SLS不同，EBM可以通過選擇性地掃描每個橫截面層來制造復(fù)雜的幾何形狀。

通過EBM 3D打印的植入物比使用SLS3D打印的植入物更昂貴，但是發(fā)現(xiàn)在植入物界面類型或3D打印方法方面的臨床結(jié)果沒有區(qū)別。

隨訪發(fā)現(xiàn)，16名患者中有3名患者出現(xiàn)了并發(fā)癥，如螺釘斷裂和審美不滿意，然而這些問題最終都得到了解決，所有患者的術(shù)后恢復(fù)都令人滿意。

△其中一個修復(fù)手術(shù)案例研究。圖片來自《scientific reports》。

基于患者的經(jīng)驗(yàn)，該研究提出了3D打印鈦合金患者特定植入物的使用指南。簡而言之，研究建議，這種植入物應(yīng)該用于面部骨的連續(xù)性缺陷，僅限于已經(jīng)進(jìn)行過重建且沒有重建選擇的硬組織，以及面部骨整形患者由于之前過度的骨制備而出現(xiàn)的輕度或中度骨缺陷的情況。

此外，該指南還說，3D打印鈦合金植入物還應(yīng)該用于對美學(xué)要求較高的情況，如糾正骨骼不對稱，用于下頜骨等需要功能性承重的部位，以及需要與牙科植入物同時重建的情況。

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息可以在《scientific reports》期刊上發(fā)表的題為："患者定制長效鈦合金植入物在頜面部骨缺損重建中的應(yīng)用/ Reconstructionof maxillofacial bone defects using patient-specific long-lasting titaniumimplants"的論文中找到。該研究的共同作者是H. Lim, Y. Choi, W. Choi,I. Song和U. Lee。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-022-11200-0