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金属3D打印:医学骨科植入物的一剂良药!

  Gartner预测用于髋关节和膝关节置换的设备在未来可能达到150亿美元的市场规模,3D打印的髋关节和膝关节置换装置和其他常用的医疗设备将在未来2~5年内成为主流。

  之前没有理想的设备来替代或修复因创伤和疾病而损坏的骨头。此外,人体内的环境非常容易腐蚀植入材料,缺乏理想的生物材料可以避免与人体内的活体组织发生作用。

  增材制造有效解决骨科清晰持久的需求,对于医疗植入物的生产,需求的特点是定制的设计或个性化的小批量系列。金属生物相容性材料的高成本及加工费用的增加使得总体植入物的成本很高。而且在加工复杂形状的钴合金植入物时候会遇到难加工的问题。一些植入物是通过铸造或传统的金属粉末加工方法,这需要模具,对于只需要一件或者几件的植入物来说,这样的生产成本十分昂贵,考虑到像钛金属是比较难铸成复杂的形状,这些成本就更高了。

  增材制造优点

  近来,医疗行业越来越多地采用金属增材制造技术(直接金属激光烧结或电子束熔融)设计和制造医疗植入物。与外科医师一起,工程师可以生产更多的先进合格的植入物和假体,利用医疗成像的力量(X射线,核磁共振成像,断层扫描等),来建模通过增材制造方式生产医疗植入物,有时也可以在24小时内就制造完医疗植入物。

  增材制造在医疗行业的优点是:

  个性化:定制的假体/植入物缩短患者的痛苦和紧张的适应阶段。最佳贴合的尺寸也使手术操作难度减小,减少外科医生的压力。

  复杂的几何形状:一些自由结构通过传统的制造方法(铣削、车削或铸造等)无法制造出来,而模仿仿生原理的复杂结构,可以加快病人的愈合过程,这些复杂的仿生机构只有通过增材制造方式来实现。

  功能集成:增材制造医疗设备能够满足多种功能植入物的制造并减少制作步骤。可以具有多孔结构和粗糙的表面,以改善骨整合。不需要进一步的喷涂或表面纹理化后期处理。

  降低手术费用:更快的植入物生产速度,更贴合的尺寸加快手术和恢复期,更好的人体环境相容性降低后续治疗需求,这些都使得病人住院和后续治疗的费用大大减少。

  骨组织

  骨组织主要种类包括骨小梁(松质)和皮质骨(结构紧凑):

  皮质骨形成的外壳(皮层)的大部分骨头约占80%的人骨骼的重量。它是密集的,因此,相对坚硬,强大和僵硬。与皮质骨相比,小梁骨密度小。它具有较高的表面积和质量比,更柔软,更弱,更灵活。骨小梁通常是在长骨头的末端,近端关节和脊椎内部的。骨小梁表面积大布满血管,适合于代谢活动,经常含有红骨髓,在那里发生血细胞的产生。

  塑料是常用的植入物,但它并不利于骨恢复,因为骨不连接到它。大多数市场上的其他植入物都是由大量的金属制成的,因此是刚性的,不易变形。

  增材制造的设计自由度,使得金属材料按照桁架结构得以重新分配,不但坚固而且有足够的弹性变形空间,这样容易引发成骨细胞反应,意味着骨形成。

  骨科细分市场

  医疗植入物的市场是一个不断增长的应用和创新领域。它被分割成3个主要类别的植入物:关节,脊柱和创伤。

  +关节置换仍然是最大的市场领域

  关节置换术是恢复关节的完整性和功能性的手术方法,在这一过程中,可以使用人工关节。重建关节置换市场不断上升,原因来自受伤或退化关节的人数不断增加,另一个原因是人口老龄化。

  膝盖和臀部的关节炎引起的变形非常脆弱。他们占绝大多数的重建关节置换。其他重建关节置换是肩膀系统。

  +脊柱植入物迅速增长

  由于长时间不正规的方式坐在办公室以及其他原因,使得脊柱植入物市场需求不断上升,如融合器,人工椎间盘和改进的程序,用于修复脊椎、脊髓损伤或异常以及更换的退行性椎间盘。

  +创伤植入物

  钢板螺钉系统是治疗创伤骨折最常用的内固定方法,这一市场需求也在不断上升。

  金属增材制造的主要类型的植入物的好处

  金属增材制造兼备钛金属材料的生物相容性与塑料PEEK材料的灵活性。多孔钛融合器采用SLM可以实现快速的骨长入和优异的机械稳定性,相比传统PEEK融合器能够与人体能更好的结合。

  特定的密度分布提高了钛合金零件的灵活性,钛的高强度允许集成植入物的侧壁检测窗口。骨生长可以通过医学成像评估,增材制造的几何自由和功能集成为脊柱重建提供了新的选择。

  定制的椎间盘假体

  可以插入到空椎间盘间隙中的人工椎间盘装置,设计和间距的尺寸可以精确地调整到病人的解剖尺寸,并且增材制造还可以避免下游组装过程。

  创伤植入物,丰富的个性化体验

  创伤植入物的目的是用于治疗骨折,畸形,和肿瘤疾病的骨骼,如手臂,腿,肩膀,或头骨。

  颅骨植入物

  放置在颅骨植入物制造的要求是严格的。因为头骨有独特的不规则形状,难以标准化。自然的颅骨植入需要生物相容性,具有契合和诱导骨长入植入物的边缘。并且要求是可渗透的,以允许脑液通过。增材制造已用于生产植入物用于颅颌面外科手术患者,并提供最佳的尺寸、形状和力学性能。

  内固定装置

  骨板是固定在骨折骨固定的装置。骨解剖在某些领域是极其复杂的,并且要考虑到弯曲的方向和扭曲。精确几何的骨板和数字预规划的落螺丝为患者提供一个更好的连接板和一个良好恢复的基础。让外科医生以最小疤痕,更短的伤口开放时间和更短的恢复时间实施低侵入性手术。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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