3D打印正以惊人的速度向医疗领域渗透。尽管距离器官打印仍有漫长的距离,而且将不断面临伦理道德与技术的挑战(1),但由于3D打印可以构建可控制的3D支架结构,随着细胞打印和生物打印技术的进步,以及打印材料的革新,其在组织工程和再生医学领域正展现迷人的魅力(2,3,4)。目前,3D打印作为一种新型的增材制造技术,真正规模化成功用于临床治疗的主要在骨科与口腔科领域(5)。一批基于3D打印的患者定制化截骨导板,骨科植入物,种植牙等已经获得CE与FDA批准,被用于临床。2016年AAOS(美国骨科医师年会)上,全球骨科领先的企业均已开展3D打印制造骨科医疗器械并不断有新产品用于临床,足以显见3D打印在未来骨科中的地位。中国骨科无论在病人数量、手术例数以及手术技术方面并不落后于西方发达国家,但在骨科医疗器械,特别是植入物方面则明显落后。3D打印技术的出现,也许给了中国骨科研发自主创新的医疗器械赶上西方发达国家一个机会。值得欣喜的是,2015年CFDA也批准了中国首个3D打印髋关节产品,已开始在临床规模化应用。1、利用快速原型制造,辅助手术设计利用CT,MR等影像技术,重建骨骼的三维图像,然后采用分层实体制造技术获得骨骼的原型,用于教学、演示与手术设计;利用人体解剖的对称性,或者存储于数据库中的人体解剖学数据,反求或模拟缺失部位的骨骼三维图像,辅助传统的机械加工制造可植入人体的骨替代假体;这是两种较为常用、成熟的利用快速原型制作,辅助手术设计的方式。上海交通大学附属第九人民医院(6,7)利用快速原型作为辅助,在国内开展了制造患者定制的半骨盆假体用于半骨盆切除术后的重建以及髋关节翻修手术中髋臼侧严重骨缺损的重建。该研究团队的工作开展较早,但囿于金属3D打印制造技术的限制,其植入的假体仍采用传统制造工艺。随着3D打印技术的成熟,以及成型设备价格的下降,越来越多的医生借助于3D打印来进行医学教育以及复杂手术的设计与演示。2、基于3D打印的导板设计与应用尽管个性化截骨导板在全膝关节置换中的应用价值仍然存在争议(8,9),特别是目前缺乏提升长期结果的证据,但是其节约手术时间、改善力线、简化复杂手术的优势仍然引起广泛关注。国际主要的人工关节公司均有相应产品供应于临床。国内由于受到价格的限制(每例需额外增加支出约US$1000),同时从获取病人影像资料到截骨导板在手术使用的周期约为4周,增加了时间的成本,因此应用很少。现在国内某些人工关节制造商也开始此类研究,并在一些医院开始试用。显然,个性化截骨导板同样有学习曲线,并且是为有经验的医生设计的,而并非可以完全取代传统的手术工具。除了人工关节领域以外,在脊柱、创伤与矫形领域,基于3D打印的导板设计与应用正不断深入,并逐渐显现其特殊的价值。成都军区昆明总医院的研究团队在脊柱尸体标本中验证了颈椎椎弓根螺钉置钉导板的安全性和准确性(10),并在临床实践中也取得了满意的效果(11)。鉴于国内的情况,对3D打印感兴趣的医疗单位可以首先从导板类器械方面展开探索,借此提高医治水平。3、基于3D打印的骨科金属植入物的研发3D打印在骨科领域最重要、最有价值的应用方向是研制金属植入物和个性化假体。这是由可供3D打印的材料、设备及制造特点决定的。骨科常用的金属材料Ti6Al4V,钴铬合金及不锈钢均可被用于3D打印制造。电子束、激光束等高能3D打印设备的精确度与效率可满足制造小型部件及规模化需要。3D打印在计算机辅助设计下,能快速制造异型的植入物,同时,可以制造大小可控的微孔。这些微孔结构在植入体的实体部分可降低金属材料的弹性模量,减少应力遮挡;在植入体的表面可以促进金属与骨之间的骨整合。这一独特优势使其在骨科植入物研制方面充满前景。北京大学第三医院研究团队(12)设计了全微孔型3D打印钛合金人工椎体,动物实验证实人工椎体与周围骨发生良好的骨整合。而采用3D打印制备的粗糙表面螺钉相对于传统机械加工螺钉有更高的摩擦力,在体内表现更好的抗旋出力(13)。随着北京大学第三医院和北京爱康宜诚医疗器材有限公司合作开发的国内首个3D打印金属植入假体的成功上市,在初步临床应用中显示良好的效果,国内有越来越多的医疗机构、科研单位、医疗器械生产企业开始投入到3D打印应用研究中。尽管FDA 2013年批准Renovis公司的3D打印椎间融合器Tesera,但利用微孔结构替代传统的植骨方式在人体内的表现及骨整合效率仍待长期结果证实,尤其是用于脊柱的椎间融合。北京大学第三医院参与研制的3D打印椎间融合器和人工椎体项目已结束临床研究,进入到注册审评阶段。4、基础研究由于金属材料先天的生物惰性,其与宿主骨之间发生的骨整合终究有限。基础研究的热点之一即关注3D打印构建的金属微孔表面改性问题。目标是促进金属微孔表面的骨整合效应,并将其作为支架材料加载其它功能性材料与药物,制造抗菌表面等。第四军医大学西京医院与上海交通大学的研究团队(14,15)在3D打印多孔钛合金表面引入壳聚糖/羟基磷灰石涂层,经过表面改性后在糖尿病诱导损伤状态下提升骨整合效应。这些研究将克服3D打印材料和制造工艺自身的弱点,从而拓展3D打印在骨科的应用。诚然,可降解生物材料的3D打印也是基础研究的热点,但距离临床转化还有相当的距离。3D打印在骨科领域的应用正不断深入,并已从实验室走向临床。只有实现真正意义的临床转化,才能发挥3D打印的价值。医疗器械生产企业应该与医疗机构,科研单位紧密合作,从临床需求出发,以产品为向导,不断推进3D打印在骨科的应用。目前来自于政府的法律法规可能是一个重要的制约因素,特别是针对3D打印个性化植入物的制造。可喜的是我们看到了政府部门为此做的努力,将通过法律法规建设率先在3D打印个性化植入物方面取得突破。无论如何,3D打印将是中国骨科植入式医疗器械制造赶上国际步伐的一个良好机遇。Reference1. Maruthappu M, Keogh B. How might 3D printing affect clinical practice? BMJ 2014;349:g77092. Brian Derby. Printing and Prototyping of Tissues and Scaffolds. Science 2012; 338:921-263. Murphy SV, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nat Biotechnol 2014 Aug;32(8):773-85. 4. Michalski MH,Ross JS. The shape of things to come: 3D printing in medicine. JAMA 2014 Dec; 312(21):2213-4.5. Liu Q, Leu MC, Schmitt SM. Rapid prototyping in dentistry: technology and application. Int J Adv Manuf Technol 2006;29(3-4):317-335.6. Dai KR, Yan MN, Zhu ZA, et al. Computer-aided custom-made hemipelvic prosthesis used in extensive pelvic lesions. J Arthroplasty 2007 Oct;22(7):981-6.7. Li H, Wang L, Mao Y,et al. Revision of complex acetabular defects using cages with the aid of rapid prototyping. J Arthroplasty 2013 Dec;28(10):1770-5.8. Voleti PB, Hamula MJ, Baldwin KD, et al. Current data do not support routine use of patient-specific instrumentation in total knee arthroplasty. J Arthroplasty 2014 Sep; 29(9):1709-12.9. Thienpont E, Schwab PE, Fennema P. A systematic review and meta-analysis of patient-specific instrumentation for improving alignment of the components in total knee replacement. The bone & joint journal 2014 Aug; 96-B(8):1052-61.10. Lu S, Xu YQ, Chen GP, et al. Efficacy and accuracy of a novel rapid prototyping drill template for cervical pedicle screw placement. Computer aided surgery : official journal of the International Society for Computer Aided Surgery 2011 16(5):240-8.11. Lu S, Xu YQ, Lu WW, et al. A novel patient-specific navigational template for cervical pedicle screw placement. Spine 2009 Dec; 34(26):E959-66.12. Yang J, Cai H, Lv J, et al. In vivo study of a self-stabilizing artificial vertebral body fabricated by electron beam melting. Spine 2014 Apr 15;39(8):E486-92. 13. Yang J, Cai H, Lv J, et al. Biomechanical and histological evaluation of roughened surface titanium screws fabricated by electron beam melting. PLoS One 2014 Apr 30;9(4):e96179.14. Ma XY, Feng YF, Ma ZS et al, The promotion of osteointegration under diabetic conditions using chitosan/hydroxyapatite composite coating on porous titanium surfaces. Biomaterials, 2014. 35(26): p. 7259-70.Li X, Ma XY, Feng YF, et al, Osseointegration of chitosan coated porous titanium alloy implant by reactive oxygen species-mediated activation of the PI3K/AKT pathway under diabetic conditions. Biomaterials, 2015. 36: p. 44-54.
美国骨科医师学会(American Academy of Orthopaedic Surgeons,AAOS)2013年年会3月19日至23日在美国芝加哥召开。全球经济不景气似乎并未对医疗行业产生实质性影响,医疗器械公司仍然在骨科领域内不断推陈出新,加大产品推广。现就参加AAOS期间对展会中人工关节置换假体及工具的新趋势做一概述。1、金属微孔表面的发展在很长一段时间内,Zimmer公司的钽(Tantalum)金属骨小梁(Trabecular Metal)在人工关节假体金属微孔表面处理方面一枝独秀,其它公司只能采用传统的金属(钛或钛合金)和工艺(匀浆喷涂、钛珠烧结、支架粉末沉积、孔隙占位或金属丝定向编织等)构建金属微孔表面。无疑,这些方法和金属骨小梁相比,孔径不均一,孔隙率低,孔径缺乏连通,影响骨长入和假体的长期结果。近些年,众多公司都在努力寻找新的工艺方法改进金属表面的微孔结构。从本届展会看,各大公司均着力推广自身的新型金属微孔表面产品,已大有取代传统金属微孔表面之势。较为典型的如Depuy的Gription,Stryker的Tritanium,Smith&Nephew的STIKTITE,Biomet的Regenerex,和Wright的Biofoam等,这些金属微孔的显著特点是较传统金属微孔的孔隙率、孔径大小、摩擦系数和弹性模量更加接近松质骨结构,但其制备的工艺并未发生根本性的革新。立体打印技术(3D打印),特别是金属3D打印技术的出现和应用,是金属微孔表面技术的一个突破性进展。3D打印的特点在于--可以自由构建空间构型,即所谓Free-Form-Fabrication(FFF)。通过3D打印可以实现孔径大小可控甚至是梯度孔径,孔隙率高,孔径之间互相连通,有效降低金属假体的弹性模量,并可完成假体的个体化制造。目前已成功用于人工关节假体的3D打印技术大致可以分为电子束熔融(Electron Beam Melting,EBM)和激光快速成型(Laser Rapid Prototyping,LRP)两种。采用3D打印技术制造的人工关节假体已经从实验室走向临床。其中比较有代表性的公司如美国的Medical Modeling Inc.可以提供假体的设计和制造;意大利Lima公司已经将基于EBM技术制造的髋臼杯应用于临床;我国也进入到3D打印技术应用领域的前沿,来自北京的爱康宜诚医疗器材股份有限公司采用EBM技术制造的人工关节假体产品和脊柱、植骨类产品也已进入临床研究阶段,其系列产品也在AAOS展出。可以预见,3D打印技术在未来十年将会获得更加广泛的应用和发展。2、关节置换精确化、个性化人工关节置换已经历上世纪六、七十年代的探索阶段,到九十年代、二十一世纪初的蓬勃发展,近十年已日趋成熟。除了通过新材料、新工艺解决人工关节假体最主要的固定和磨损问题以外,医生的目光也重新聚焦到如何提高手术的精确性和患者的个体化差异上来。术中导航的发展方向是设备的小型化,易操作。除常规导航器械的供应商在不断的更新软件和设备,使其更便于手术室使用以及适应医生的操作习惯,一些新兴的公司设计出体积更加小巧,操作简洁,向其它公司产品开放的导航设备,如美国OrthAlign的便携式导航产品。术前基于CT或MR图像,通过计算机辅助设计(CAD)和3D树脂材料打印技术制造截骨模块,直接用于手术的术前导航已经成为各大人工关节制造商的标准产品配置。为了达到真正的个性化,美国的ConforMIS公司在此基础上,结合金属的3D打印技术,提供除手术工具外包含个性化人工关节假体的全解决方案,成为展会中的另一亮点。导航已然不是新话题,但计算机导航已经从最初只关心力线和角度,发展到真正意义上的软组织平衡。美国Orthosensor公司利用压力传感器制造的VERASENSE膝关节软组织平衡测试系统,已和诸如Biomet等多家公司合作,根据这些公司的假体类型,将其系统嵌入胫骨垫片试体中,用于术中测试膝关节的软组织平衡,使得软组织张力实现真正的数字化,医生进行软组织平衡更加精确,而不仅仅依据经验。3、新公司的崛起基于AAOS的影响力,AAOS展会是全球骨科医疗器械类制造商的重要舞台,今年约有680多家公司参加AAOS展会。除了传统大公司依然扮演主要角色外,一些新兴的公司以其独特的产品和发展思路进入公众的视野。如刚才提到的全个性化假体解决方案公司ConforMIS和提供膝关节软组织平衡测试系统的Orthosensor公司等。他们走差异化发展的道路,前者提供从工具到假体的全系列个性化设计制造,后者发挥自身在传感器和软件设计方面的特长,将开发的系统嵌入至各大公司产品系列中。此外,中国也有十余家骨科领域的主要制造商参展,由于我国巨大的医疗市场需求和快速增长的医疗服务,以及全球加工和制造中心的转移,国内骨科医疗器械类公司在快速成长,已经成为全球骨科领域内一股不可忽视的力量。但纵观国内公司的产品,除个别公司外,整体创新能力仍然不足,规模仍然偏小,亟需提升全球竞争力。
人工关节置换术是指采用金属、高分子聚乙烯、陶瓷等材料,根据人体关节的形态、构造及功能制成人工关节假体,通过外科技术植入人体内,代替患病关节功能,达到缓解关节疼痛,恢复关节功能的目的。 人工关节置换术是二十世纪最成功的骨科手术之一,它让无数患有终末期骨关节疾病的病人重新恢复正常的生活。2007年权威医学杂志《Lancet》发表的评述性文章,甚至将人工髋关节置换术称为“世纪性的手术”(The Operation of The Century)。 尽管没有准确的统计数字,但根据保守估计,全世界每年有超过150万人接受人工关节置换术。而随着社会人口老龄化、平均寿命的不断延长以及生活质量的进一步提高,对人工关节置换术的医疗需求也在持续增长。我国这种需求则表现的更加突出。 目前,膝关节置换和髋关节置换是人工关节置换术中最常见的两类手术,其十年的成功率已经超过90%,更有80%以上的患者可以正常使用植入的假体长达20年以上,甚至伴随其终生。除此以外,肩关节、肘关节、踝关节等关节置换也在不断发展,取得了良好的中、长期结果。随着生物材料与外科技术的进步,陆续出现了腕关节、指间关节、跖趾关节等小关节置换术,为患有严重小关节疾病的患者带来了希望。
正值暑假,在门诊和急诊室,经常能见到家长带着孩子来看陈旧的运动损伤,这些损伤有的是上个学期留下的,有的甚至是更早些时候。他们共同的理由是孩子平时功课忙,没有时间,看病耽误学习。而且其中大部分人都认为,运动损伤只需要喷喷“好的快”,休息几天,等肿消了,不疼了,就算好了。这是一个认识的误区,恰恰是这种认识,让原本可以治愈的运动损伤失去了痊愈的机会,甚至留下“老伤”,今后反复发作,困扰工作和生活。我们都知道中国的运动员平均运动寿命要远远低于欧美的发达国家。正是因为很多时候我们提倡的只是带伤坚持比赛的精神,而忽略了对运动员自身的保护;运动员只有拥有强健的身体,才能取得更好的运动成绩,才能有更长的运动寿命,体现自身的运动价值。这其实也是这一认识误区所造成的后果。大家在观看体育比赛的时候,经常见到有的运动员受伤了,队医拿着“好的快”喷两下,队员就继续坚持比赛了;而有的则必须马上放弃比赛,接受进一步的治疗。在生活中,有些运动损伤是可以通过简单的处理而自愈的。这类损伤多是某些肌肉的撞击伤,拉伤或者是过度疲劳性损伤。通常发生的部位在四肢或者腰背部,那些远离关节的部位。在经过休息,先冷敷后热敷,推拿、按摩、针灸等治疗后,多能自己痊愈。运动员在比赛中出现类似的损伤,通常也可以采取喷“好的快”,打封闭等办法紧急处理后继续比赛。而另一类出现在关节周围的,以韧带、关节囊损伤,以及关节内软骨或骨性损伤为主的运动损伤,则应该进行正确的治疗才能痊愈。比如大家都有这样的体会,不小心崴了一次脚,同一部位,以后会出现习惯性的崴脚;膝盖扭伤了,如果没有注意正确治疗,在随后运动时会感到做某些动作时膝盖无力,并容易出现再次扭伤;还有诸如打篮球戳手指,俗称“吃萝卜条”,经常是同一个手指反复受伤。通常这样一些累及关节周围的韧带,软骨等的损伤,如果不经过正确的治疗,以期达到痊愈,则会留下“老伤”,影响今后的运动和生活。因此,大家在平时的生活中遇到运动损伤,首先应该立即停止运动,然后在简单的进行冰敷和制动处理后,立刻去医院由专科医生进行诊治,并在其指导下进行正确的治疗和康复。