骨科3D打印：更好的膝關節、髖關節和脊柱植入物

魔猴君  知識堂   350天前

一些世界上最大的骨科植入物制造商，包括Stryker、Johnson&Johnson、Smith&Nephew和Zimmer Biomet，都使用3D打印來制造膝蓋、臀部、脊柱、腳踝等的醫療植入物。事實上，據估計，全球有數十萬患者依靠3D打印的膝蓋和臀部行走。許多人甚至可能不知道他們的植入物是3D打印的。

骨科植入物領域是工業3D打印或增材制造(AM)最輝煌的成功案例之一。植入物制造商發現，該技術比傳統制造具有明顯的優勢，而隨著增材制造技術的不斷成熟，其優勢甚至會更大。

由Avalign Additive在GE Additive EBM 3D打印機上打印的骨科植入物（來源：GE Additive）

對3D打印植入物的需求

假體植入是一項蓬勃發展的業務。每年有超過100萬美國人需要進行膝關節置換手術，預計到2030年，這一數字將躍升至350萬。

這一需求不僅受到人口老齡化和肥胖率上升（肥胖會加速關節磨損）的影響，而且患者對植入物的要求也越來越高。他們希望繼續進行體育運動和劇烈運動，并希望植入假體的壽命比通常的20年更長。因此，植入物正在發生變化。

增材制造正在實現為患者量身定制植入物，這將帶來更好的整體效果，而個性化的醫療器械和工具也將使這些手術更快、更輕松。醫生們也在用3D打印技術打印出特定患者的模型，用于練習手術，并向學生和患者傳授更多手術知識。但在本文中，我們的重點是3D打印植入物本身，以及只有3D打印才能實現復雜的幾何結構，而這種結構已被證明能使骨骼長入植入物，從而使植入物更加穩定、壽命更長。

3D打印骨生長技術

使用Gen3D Sulis Lattice模塊軟件設計骨科植入物晶格結構（來源：Gen3D）

骨質長入植入體的醫學術語是骨整合。就像海綿吸水一樣，脊柱植入物的多孔金屬表面結構或支架可以創造一種環境，讓骨骼生長到孔隙中。骨質的生長消除了骨水泥的必要性，在膝關節植入物等情況下，骨水泥通常用于將骨質固定在金屬植入物上。隨著時間的推移，多余的骨水泥可能會松動，不僅會在關節中留下漂浮物，還會加速對植入物的侵蝕。

但這不僅僅是消除骨水泥的問題。多孔種植體能使骨與種植體之間形成粘結，實際上能在種植體周圍形成更堅固的骨，從而降低種植體并發癥的幾率。

要進一步了解骨結合的重要性，我們首先要了解沃爾夫定律，它是由19世紀的解剖學家朱利斯-沃爾夫發現的。他發現，骨骼會對施加在其上的力做出反應，如果骨骼長期不受力，就會開始退化，密度降低。這與醫療植入物有什么關系？

髖關節植入物上的Zimmer Biomet OsseoIt多孔金屬技術（來源：Zimmer Biomet）

由于鈦合金植入物的硬度約為骨骼的3到4倍，它將減輕周圍骨骼的負擔，這實際上會削弱骨骼。骨骼承受的壓力過大會導致骨質流失。當患者種植體周圍的骨質流失時，種植體就會松動并斷裂。

植入物工程師可以通過調整晶格結構中每個細胞的大小和形狀，將醫用植入物的硬度和柔韌性調整到更接近骨骼硬度的程度。

研究發現，3D打印鈦的多孔結構可與骨骼媲美，但總體上并不優于解剖骨骼。3D打印植入物中的晶格結構紋理粗糙，不僅有助于促進骨結合，還能讓營養物質在晶格結構周圍流動，促進軟組織和骨骼的再生。

最近，《骨與關節研究》（Bone&Joint Research）雜志上的一項研究發現，3D打印的"鈦晶格植入物在[部分或全部膝關節置換術]后能保持脛骨近端自然的機械負荷，而傳統的實體植入物則不能"。

這些表面晶格結構只有通過3D打印才能實現。讓我們來詳細了解一下這些結構及其制作方法。

3D打印植入物上的隨機晶格結構可以使用Genysis（左）和nTopology（右）等軟件進行設計

就像海綿一樣，格子狀結構并不完全均勻。我們通常用來創建這種骨骼結構的塊狀結構類型被稱為小梁晶格或隨機晶格。這些晶格模仿了被稱為骨小梁的骨骼類型，從根本上說就是隨機泡沫。

專業的計算機輔助設計（CAD）軟件使植入物工程師能夠將這種表面結構應用于金屬植入物。例如，利用Gen3D的Sulis Lattice模塊的隨機晶格功能，您可以控制隨機晶格的密度，并根據特定的醫療植入應用定制其屬性。

然后就可以設計植入體，使其滿足患者的預期承重條件，并在仿真軟件中進行測試。

3D植入物是如何制造的？

骨科植入物主要是金屬，但有時也使用陶瓷（有時也使用一種名為PEEK的聚合物），并使用激光粉末床熔融技術、選擇性激光熔融或電子束熔融，有時也使用定向能沉積技術進行3D打印。鈦合金、鈷鉻合金和不銹鋼因其出色的機械強度、無細胞毒性和良好的耐腐蝕性成為最常見的材料選擇。

未來的增材制造植入物

鈦合金脊柱植入物（來源：Shining 3D）

骨科植入物制造商采用3D打印技術并不只是因為它能夠制造復雜的表面結構，盡管這已經是足夠的理由。目前正在測試中的3D打印技術還有更多優點，我們將在未來幾年看到這些優點，例如：

1、可降解植入物。我們將看到更多的可降解植入物和新型生物材料用于整形外科植入物。生物降解植入物意味著，隨著時間的推移，病人的骨骼與植入物結合，植入物會降解，并被人體骨骼結構所取代。

2、個性化植入物。目前，我們根據患者的體型定制植入體，但在不久的將來，我們將能根據患者的年齡、骨密度要求和營養生長要求定制植入體。我們將能夠獲取患者的特定掃描和測試數據，然后將其整合到我們的CAD軟件中，為每位患者設計定制的3D打印植入體。

目前，鑄造、鍛造和機械加工等傳統制造方法最常用于制造不需要獨特結構或幾何形狀的零件，而只有3D打印才能制造出這些零件，但隨著植入物定制化的發展，這種情況可能會發生變化。

2022年2月發布的最新研究報告指出，骨科"智能植入物"領域可能會在疾病診斷和治療中發揮重要作用。"報告指出："隨著3D打印技術和材料的進步，多層和多材料電子裝置的制造可以實現。迄今為止，智能骨科植入物已被用于骨愈合評估、膝關節受力分析、脊柱融合監測和髖關節假體松動監測。

編譯整理：ALL3DP