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医学探秘:脊椎重建的创新3D打印解决方案

2016-02-19 08:54
seele_jin
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  健康的脊椎对人的生活质量和活动能力也有着非常重要的意义。当人的脊椎发生问题的时候,常需要以微创形式将塑料或金属制成的部件植入到人体内。在患者和外科医生看来,这些植入物能够在脊椎重建过程中创造“小小的奇迹”——经过小规模的干预之后,患者就能在短时间内恢复脊椎的支撑功能和运动机能。这些植入物的设计、功能和制造需要大量的知识储备作为基础。

  脊椎笼(spine cage)是一种用于调平和减轻脊椎压力的植入物。椎间盘产生问题的患者,通常会以微创形式结合钛制螺钉使用这种植入物。目前使用的脊椎笼都是采用高性能塑料PEEK(聚醚醚酮)材料制成的,PEEK是一种耐高温的热塑性塑料,是聚芳醚酮材料的一种。其熔点为335 °C,这种材料具有优秀的生物兼容性,其在过敏性方面的特性同样优异。过去,一般通过传统方法使用钛制造这种脊柱笼,然而在某些情况下,钛部件会对骨结构产生不利影响。原因就在于其弹性明显低于骨的弹性。PEEK 相对于钛的决定性优势就是,它具有与骨相当的压缩特性或弹性(弹性模量)。此外,PEEK 植入体不会在 MRT(核磁共振成像)中产生图像伪影,手术医生可以很好地根据影像技术进行定位。PEEK 脊柱笼的劣势在于缺少融入到骨结构中的能力,在长期使用之后可能需要重新置入。而3D打印技术将钛金属材质重新带回脊柱笼制造领域,使得钛金属在结构学上具有优秀的生物兼容性。

  来自Modena(意大利)的Tsunami Medical Srl公司是一家脊椎植入物的系统开发商。因此,该公司不仅提供用于重建受损脊椎功能的植入物,还供应帮助外科手术医生成功开展手术的辅助工具或器械。其目标是加强脊柱,以此保证患者的活动能力。

  用先进的激光熔融法制造脊椎笼 借助Concept laser的LaserCUSING 的增材式金属激光熔融技术应用到“脊椎笼”的生产领域,可以很好地保留钛和 PEEK 方案中的优势而消除两者的劣势。现在,采用金属激光熔融法制造出的钛材质部件可以同时拥有生物兼容性和所需的塑料弹性。其制成的脊椎笼拥有复杂几何结构的同时,却无需后续处理即可保证最佳的表面结构。这种解决方案的最大亮点是:通过具有局部不同密度分布的几何结构(嵌入式网状结构),让钛部件拥有与 PEEK 解决方案中相同的必要弹性。

  此外,使用激光熔融法还可以根据患者的实际解剖条件经济地生产出具有不同尺寸的脊椎笼,即可以为患者量身定制打印出脊椎笼。采用激光熔融法制成的脊椎笼拥有能够嵌入骨结构的生物兼容性,和符合解剖条件的弹性。手术医生可以在 CT 或 MRT 中很好地定位脊椎笼。此外,采用激光熔融法还可以经济地进行定制或小批量生产。因此,具有特殊解剖条件的患者可以“按尺寸定制”,其他患者则可以使用标准解决方案。

  图:脊椎笼拥有圆柱或方形几何形状,必须经过后续处理。为了保证最佳的几何形状和表面结构,可采用激光熔融法进行制造 / 图片来源:Concept Laser

  “Lobster”垫块是Tsunami公司的另一大创新。这是一种可以张开的垫块,可在脊椎重建手术中安放在两个椎间盘之间。这种由Tsunami开发的张开机构是设计上的一个奇迹:这是一个包含中央螺杆和侧方齿轮的传动机构,该机构可将两个翼片张开。使用 Concept Laser 的 Mlab cusing R 设备和 LaserCUSING 方法可以制造出表面完美配合的“Lobster”垫块。其低粗糙度 -近乎光滑的表面 – 可以确保更少的组织增生。

  图:张开的钛制“Lobster”垫块,可在脊椎重建手术中安放在两个椎间盘之间 / 图片来源:Concept Laser

  图:“Lobster”垫块,通过影像技术显示,位于脊椎中 / 图片来源:Concept Laser

  采用增材制造技术进行生产后,部件的设计可以采用全新的思路。Tsunami通过LaserCUSING 增材制造方法得到的创新方法是,设计一种可以根据患者实际情况进行调整的椎间盘假体,同时还可作为垫块对脊椎起到加强作用。它由上壳体和下壳体,以及连接二者的双联弹簧构成。壳体的表面可确保完美适应脊椎结构。双联弹簧由钛制成,内核中填充了硅,可以对双联弹簧的运动进行缓冲。设计或距离尺寸可以根据患者的解剖条件和外科医生的要求进行调整。这种创新解决方案的最大亮点是:该椎间盘假体可以通过激光熔融技术在单工序流程中“一次”制造完成。这种产品解决方案省去了后续的装配步骤。

  目前,Tsunami已经在多个方面具有竞争力:一方面,将在脊椎重建中的经验带到产品解决方案中,确保患者拥有较高的活动能力:椎间盘假体可360度自由运动,极大提高了患者的活动能力。同时,双联弹簧和硅内核确保具有理想的弹性;另一方面,在寻求建设性的解决办法时,可充分发挥LaserCUSING金属增材制造技术在产品自由形状的几何结构方面的优势。椎间盘假体的产品创意设计可以通过 LaserCUSING 方法将几何结构和功能进行灵活自由的融合,而这种单工序生产解决方案是无法通过传统方法完成。

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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