全球首例！“3D打印+仿生”鉭金屬多孔股骨頭支架植入人體

魔猴君  行業資訊   2011天前

如果說股骨頭是一座房子，那么其中的骨小梁就是支撐的房梁。當骨小梁因股骨頭壞死而變得不再堅固，那房子就會搖搖欲墜，房頂也就離塌陷不遠了。

近日，中南大學湘雅醫院骨科專家為39歲的股骨頭壞死患者譚先生精準植入了一根定制的鉭金屬“房梁”，支撐起壞死的股骨頭，保住了患者的髖關節。此次由國內團隊自主創新研發的3D打印個性化定制仿生骨小梁多孔鉭金屬支架植入手術，在世界范圍內尚屬首例，打破了國外的技術壟斷。

股骨頭壞死導致“房梁”斷裂

去年冬天開始，譚先生就經常感覺腰背疼痛，只要多走幾步，右髖關節和右腹股溝區域就酸痛得厲害。他本以為是普通的腰椎間盤突出，然而輾轉好幾家醫院后卻最終被確診為II期股骨頭壞死。當地醫生建議他做關節置換手術。

正值青壯年的譚先生希望能盡量保住自己的髖關節，今年3月，他找到了湘雅醫院骨科主任胡懿郃教授。而此時，他只要下地行走，就會出現右髖強烈的疼痛，已經無法工作，只能臥床在家，嚴重影響了他的生活。譚先生股骨頭里面的‘房梁’骨小梁結構發生了損傷，但‘房頂’還未發生塌陷，對于這種早期的、青壯年的患者來說，保髖治療是首選，這就需要用新的‘房梁’來支撐，保持‘房頂’不掉下來。

青壯年時期是患者關節活動量最大的階段，也是骨頭和血管再生能力最強的階段，保髖治療成功率相對較高。否則，一旦壞死持續進展，導致股骨頭塌陷變扁后，髖關節的關節面會被迅速破壞，患者將失去運動能力和勞動能力，最終只能接受人工全髖關節置換。

醫工合作個性化定制鉭金屬“房梁”

譚先生股骨頭的新“房梁”，是胡懿郃教授團隊自主研發的最新“秘密武器”——3D打印仿生骨小梁多孔鉭金屬支架。這一產品是國家重點研發計劃“3D打印個性化植入器械臨床應用研究與推廣”的成果，由中南大學粉末冶金國家重點實驗室和湘雅醫院骨科共同通過產學研醫平臺和醫工結合方式研發。

3D打印仿生骨小梁多孔鉭金屬支架

相比于目前最常用的鈦金屬來說，鉭金屬生物相容性更佳，人體不易發生排異反應。更為重要的是，鉭金屬的彈性模量更接近骨組織，更適合仿生人體的骨小梁結構，骨組織長入速度大大高于鈦金屬，可以促進骨細胞快速長到鉭金屬棒的孔隙中。然而，目前全球少數幾家制作此種材料的公司，制造的是“均碼”的圓柱體鉭金屬棒，其規則的“蜂巢狀”孔隙結構也并未十分切合人體骨小梁結構。那么，如何才能讓鉭金屬“房梁”更好地發揮支撐作用呢？

在胡懿郃教授的指導下，湘雅醫院骨科醫師、生物醫用材料博士后雷鵬飛組織醫工交互團隊通過精心設計和3D打印技術，為譚先生個性化定制了一根鉭金屬“房梁”。根據譚先生的CT和MRI影像學數據進行配準，建立了計算機3D模型，可以精確根據患者實際的骨壞死區域，通過金屬激光3D打印來個性化定制鉭金屬棒。

進口的鉭金屬棒產品頂端是圓柱體的平面，在與圓弧型的股骨頭接觸時，只有單個的接觸點受力。而我們特地根據3D模型把頂端設計成弧形，這樣就與股骨頭關節面的弧度更為匹配，通過面的接觸來增加支撐效果，可以更好地預防塌陷。

3D打印仿生骨小梁結構，促進骨組織快速生長

當自體骨組織長入鉭金屬棒后，“房梁”才會更加穩定。那么，該如何加快骨組織的長入速度呢？胡懿郃教授團隊創新采用了“仿生”的方法。

我們通過與算法工程師緊密合作，根據譚先生骨小梁不規則的結構來設計，比起進口的鉭金屬棒規則的‘蜂巢’型結構，彈性模量和表面摩擦系數與人體松質骨更為接近，可以更好地‘偽裝’成骨小梁，誘導骨長入。胡懿郃教授表示，鉭金屬支架的孔隙率要求非常嚴格，孔隙太大將不利于骨組織生長，而孔隙太小導致支架太重，與人體骨骼的差別又很大。

這一設計的實現并不容易，通過傳統的機械加工或者化學氣相沉積無法實現，只有3D打印才可以做到。而鉭金屬作為難熔金屬，在3D打印過程中，對粉體性能、激光熔化參數、設備穩定性、鋪粉質量、打印精度等要求都非常高，團隊試驗了近1年才打印出滿意的支架。此外，胡懿郃教授團隊還在鉭金屬棒內部留了一定的通道空隙，可以填充患者自體的松質骨，利用鉭金屬“親生物”的特性，在鉭金屬棒中播下“種子”。骨組織可以同時在內部和外部在假體表面生長，術后大概2個星期就可以長進去，最終實現多孔鉭金屬棒和人體的完全融合。

“我們在鉭金屬棒的尾部設計了螺旋形自鎖定裝置，類似于‘膨脹螺絲’，患者術后活動就不用擔心鉭金屬棒退出來；后期我們還將設計壓配打擊植入的鎖定機制。”雷鵬飛博士后說。

幾分鐘抵達病灶，半小時完成手術

鉭金屬“房梁”做好后，如何通過手術精準植入也非常重要。雷鵬飛博士后運用3D打印技術制造了一個“雙導向”手術導板，既可以精準定位手術入口和路線，便于進行壞死區域的髓芯減壓和壞死骨質的刮除，又可以直達病灶，精準地將鉭金屬棒植入進入，大大減少了手術時間和對患者組織的損傷。

醫生模擬手術前的導板

“傳統的手術方式，即便是有經驗的醫生，也需要多次嘗試打入導針，這樣不僅會延長手術時間和增加術中X射線透視數量，也會增加患者軟組織的創傷。而在手術導板的指引下，我們僅僅幾分鐘就達到了病灶，將股骨頭內壞死的骨質從進針通道內取出，再植入鉭金屬棒，整個手術時間不到半個小時。”胡懿郃教授表示。術后第一天，譚先生就坐起來了，傷口區域沒有疼痛；術后第二天就可以站起來了。為了確保骨長入，專家建議他早期部分負重。他的手術傷口采用美容縫合無需拆線，還覆蓋上了最近胡教授團隊創新運用的生物半透膜敷料，無需換藥還可以立刻洗澡，這使得譚先生真正實現了快速康復。

“股骨頭壞死是進展性的，目前發病機制不明，也沒有有效的根治方法。對于年輕的股骨頭壞死早期患者，我們希望能通過新的材料和手術方法，盡量保住他們的髖關節，延緩股骨頭壞死的速度，避免患者過早接受髖關節置換術。如果骨頭生長情況好，患者甚至可以不用接受髖關節置換術。”胡懿郃教授表示。據悉，湘雅醫院骨科胡懿郃教授團隊將繼續致力于研發3D打印個性化仿生多孔鉭金屬植入物修復骨缺損，為骨關節臨床提供新思路、新方法和理論依據，并集成數字技術和現代人工智能，產學研自主創新研發，為我國骨科植入醫療技術和人們醫療健康貢獻力量。

來源：中國3D打印網