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金属3D打印开启硬组织医疗新时代

2016-01-22 10:05
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  个性化医疗是二十一世纪医疗发展的重要方向,随着3D打印技术的发展以及其在医疗领域的不断拓展,这项创新技术在硬组织领域的应用已崭露头角。目前,国内硬组织领域对3D打印技术的关注度也越来越高,大量的成功案例开始涌现。

  3D打印技术不需要复杂环节的生产过程或者使用任何其它工具,而且能够最大限度地降低库存,这就成功实现了成本的降低和交货时间的缩短,对于那些体积小、结构复杂的零部件,如骨科植入物,效益尤其明显。

  目前许多外科医生正在尝试用金属3D打印工艺来制造植入物,而且即将获得成功的应用。其中的原因是金属3D打印主要有以下特点:

  1、生物相容性金属粉末

  能够在其表面获得来自相邻细胞和组织的预期反应是外科植入物的一个非常重要的属性。因为细胞行为(密合性、功能性改变、形态变化和增殖)会受到其表面属性的强烈影响。表面形貌、表面化学和表面能量支配着植入物的生物反应。

  因此,对于植入物的制造,优选材料是纯钛和钛合金。纯钛具有较高的耐腐蚀性以及被认为是最具生物相容性的金属。只要其表面被暴露在氧化性介质中,它就能够自发地形成稳定的惰性氧化物层。如果需要生物医学植入物具备更高的强度的话,那么更好的选择则是Ti6Al4V合金,该材料也会表现出良好的抗疲劳、耐腐蚀特性,而且比重比较低。

  此外,能够以粉末形式提供的其他生物相容性材料还有不锈钢316L和钴铬合金。而高度受控的金属3D打印环境(充满中性气体和限制氧气)可确保打印部件的高纯度,保留了期望的材料性能。

  2、更便宜的“一次性”定制金属植入物

  在制造定制化的植入物时,传统的方式往往特别费时和昂贵,而3D打印则就灵活的多,其资金需求被限定在一定范围,设计复杂性被减小,从而使个人定制得以实现。

 金属3D打印开启硬组织医疗新时代

 颅面部修复体

  显而易见,定制产品更符合患者的医学需求,恢复得更快。骨科医生可以通过自定义形状优化应力在骨骼上的分布,并提供更好的适应性,并消除了外科医生在手术之中进行手动处理的需要。失败的风险降低了,同时手术时间和总体成本也在降低。

金属3D打印开启硬组织医疗新时代

  人工关节部件

  3、3D打印和矫形金属植入物之间的协同作用

  钛金属具有高弹性模量,容易导致植入物和骨头之间的弹性失配,并限制了这种材料的使用。一种低弹性杨氏模量有助于避免“应力遮挡”(即由于植入物导致的骨骼正常应力的消失),而“应力遮挡”则会导致骨质密度的降低。

  由于金属3D打印技术能够指定构建对象的孔隙度,因此可以通过改变体积分率和多孔结构的尺寸分布来解决这个问题。事实上,多孔钛的弹性模量会随着孔径的增加而减小,而植入物可以通过量身定制具有类似人骨的机械性能。

  此外,传统上使用减材制造的金属植入物通常会在表面施加多孔表面涂层,以便于在植入物上实现骨长入。而金属3D打印能实现致密承重结构与精确而互相连接的开放气孔结构一体化制作,诱导骨长入,实现植入物与宿主骨的骨整合。

  最后,但同样重要的是,当骨科植入物需要生物固定时,金属3D打印的预成品部件的粗糙表面可以消除下游喷涂操作的需要,节省了时间和金钱。

金属3D打印开启硬组织医疗新时代

  骨盆修补件

  然而目前,3D骨科项目审批严格时间长,实际在3D打印骨科技术使用上,全世界医疗行业的应用都处在同一起步点,我们一些工作比国外还超前。但国外审评流程的确较简短。现在,美国和欧盟不要求3D打印骨科经过临床试验,可以直接上市,但需要拿出前期测试数据。他们认为3D打印骨科钛合金材质没有改变,只是工艺的改变,用在人体里是安全的,所以不经过临床试验就批准上市。

  过去以传统方式制作3D骨科模型要做一个模具,大概上百片元件组成整体,然后浇铸出来,再通过精加工,没有几个月做不出一套模具。但3D打印骨科,给病人拍一个CT片子,数据就出来了,输入计算机软件,使用3D打印机一天就做出来。

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