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西安3D打印PEEK材料代替钛合金肋骨成功植入人体

2017-04-27 00:37
Hsiao Chen
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你能想象到,3D打印聚醚醚酮(PEEK)这种高分子材料,已经开始植入人体了吗?而且,还是充当了好几根肋骨,用来保护人体内脏。近日,位于西安第四军医大学唐都医院胸腔外科,收治了一例胸壁肿瘤患者,在患者左前胸壁有着大小11×11×6cm的肋骨肉瘤。手术完整切除后会造成的胸壁缺损范围巨大,需要对患者胸腔进行有效的胸壁重建。因此唐都医院胸外科决定采用3D打印技术对患者进行胸壁重建手术。

据了解,第四军医大学唐都医院在2015年就完成了国内首次3D打印钛合金胸骨置换手术。给病人成功换上3D打印钛合金胸骨,近两年中,唐都医院胸腔外科共开展了13例3D打印钛合金胸肋骨的置换手术,在使用3D打印技术进行胸腔手术有着非常多的经验。

由患者于胸壁缺损范围巨大,如果使用3D打印钛合金胸肋骨,它的的弹性模量和屈曲强度与真实的胸肋骨的差距很大,难以形成合理的梯度强度,由此产生的应力传导容易在特殊外力作用下损伤周围的正常器官。同时,钛合金材料在后期影像学检查中存在很大局限性,例如这些患者难以开展MRI检查,在CT检查中的伪影会产生强烈干扰等。一部分患者在钛合金置换部位产生感觉异常等症状。

而聚醚醚酮(PEEK)是目前国际上先进的高分子植入材料,具有非常良好的生物相容性,同时耐热等级高、耐辐射、耐化学腐蚀,抗冲击性能和抗疲劳性能好。因此,PEEK材料是非常理想的非金属植入物替代材料,国内仅西安交通大学等少数几家单位掌握了PEEK材料的3D打印技术。

据了解,上海远铸智能推出的高温3D打印机FUNMAT HT就可以打印PEEK材料,这款设备有可以打印400℃高温喷头、恒温腔室,所以可以打印ABS、PC、尼龙,同时还支持PEEK、PEI(ULTEM)、PPSU等高温材料。

因为PEEK打印过程中对环境温度与喷头温度要求非常高,所以必须要求机器具备一个恒温的环境,需要对腔体温度精细的控制。PEEK的材料热熔点在343℃左右,所以要求喷头温度必须达到350℃以上,并且在打印过程中保持这个温度。PEEK材料具有高于143℃的玻璃化温度, 在超过250℃的高温下使用时,依旧可以表现出卓越的机械强度、韧性、硬度、弯曲强度和扭转强度。该材料还具有优异的耐化学性、极好的绝缘性和抗辐射性。另外,Peek材料自身具有 UL94 的防火等级。PEEK的突出特点使其能够适用于电子、航空航天、汽车、工业和机械行业的零部件制造。它还可以广泛应用于医疗领域。

第四军医大学唐都医院积极开展了PEEK植入物的临床研究工作。课题组联合西安交通大学李涤尘教授课题组展开了合作,首先委托3D打印中心的杨冠英副主任等构建了患者的3D打印胸廓模型,用于规划术前手术方案;之后联合西安交通大学贺健康、王玲教授等共同针对缺损的胸壁设计PEEK肋骨的模型,并进行有限元分析,在充分分析了PEEK肋骨的力学性能之后采用熔融沉积技术(FDM)进行打印。最终,黄立军副主任、钟代星和王磊医生等共同完成了手术,术中切除了左侧第2-5肋骨,胸壁缺损范围达20cm × 15cm,并顺利植入了3根PEEK肋骨进行胸壁重建。

任何一项新材料和新技术的应用都必须有充分的实验数据支持,为了检验3D打印PEEK肋骨的生物毒性,课题组委托北京医疗器械检验所对其进行毒性检测。在动物实验中,包埋有PEEK材料的肌肉组织未发现明显的炎症反应。

近两年,唐都医院胸外科在3D打印工作方面先后获得了第四军医大学军事医学提升计划项目和唐都医院临床创新研究重大项目的支持,并通过了唐都医院伦理委员会的伦理认证。在充分评估了3D打印PEEK肋骨的力学强度、生物相容性、毒性反应等指标后,唐都医院才进行临床验证工作。

结合术后影像学检查,专家发现3D打印PEEK肋骨具有多项优势:

1. PEEK肋骨的弹性模量和屈曲强度等与真实肋骨非常接近,从而避免了应力传导效应;

2. PEEK肋骨质量很轻,平均每根肋骨仅27克(切除的肋骨肿瘤重558克);

3. PEEK肋骨韧性非常好,既能保证缺损胸壁的支撑强度,又能使局部胸壁获得一定程度的活动度;

4.术后我们发现PEEK肋骨在X线片中不显影、在CT中弱显影,从而避免了影像学检查中的伪影干扰。

据悉,此例手术是国际首例3D打印PEEK肋骨的植入手术,标志唐都医院胸外科的3D打印工作从钛合金时代进入了PEEK时代。

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