3D打印钛合金植入物对骨骼生长的有效性评估

导读：钛及钛合金因其良好的生物相容性被广泛的应用在骨科、牙科、口腔等医用领域，在结合了3D打印技术的一体化构建能力后，钛合金可以被加工成具有复杂结构、个性化定制化的医用植入物。3D打印钛合金植入物的新模式极大减少了原材料浪费，节约了人工和时间成本，这是传统加工所不具备的能力，未来也将拥有更为广阔的发展空间。

2022年5月11日，南极熊获悉，一组来自韩国医院的研究人员进行了一项回顾性研究，以验证定制化3D打印钛合金植入物在患者颌面骨上的有效性和安全性。

研究期间共观察了16名患者，他们分别都接受了各种颌面部缺陷的重建手术。患者被安装了定制的钛合金植入物，并在连续数个月的时间里接受了长期的随访。

在安装的28个植入物案例中，只有一个未能成功地与骨结合，而其他植入物在治疗各种口腔和颌面缺陷方面展现出令人满意的结果。

△钛合金重建肿瘤引起的下颌骨缺陷。图片来自《scientific reports》。

3D打印颌面部植入物

一段时间以来，为了提升治疗效果，3D打印已被多次用于制备患者辅助医用器械的手术指南中。最近，研究人员开始在实验的基础上利用3D打印来制造可以植入患者头骨的面部移植物。例如，德克萨斯A&M大学的科学家们已经开发出一种新型的3D打印支架，直接促进手术后的骨细胞生长。

关于更多的终端应用，魁北克工业研究中心（CRIQ）已经部署了一台GE Additive Arcam Q10 3D打印机，以加快制备病人特定的下颌骨植入物，而保利斯塔大学的研究人员，已经为一位巴西癌症幸存者3D打印了一个面部修复体，其中包括她的整个右眼结构。

最近，加拿大卫生部批准了其第一个加拿大制造的3D打印医疗植入物，这是一个可定制的下颌骨板，主要用于口腔并发症患者的面部重建手术。

△钛合金下颌骨上的牙科植入物。图片来自《scientific reports》。

回顾性研究

自体骨移植或植入是用于治疗口腔和颌面缺陷的主要方法，虽然它们具有广泛的生物相容性，但可能存在关于供体部位发病率、手术失败和再手术困难的问题。

数字技术的快速发展为口腔颌面外科领域开辟了新的途径，3D打印技术使手术更快、更准确，特别是在钛合金材料方面，其生物相容性已经过验证，可以作为牙科植入物。

该研究记录的手术中使用的颌面部钛合金植入物是通过电子束熔化（EBM）和选择性激光烧结（SLS）工艺3D打印的。总共有28个植入物被3D打印出来，然后被插入16名不同患者的上颌骨（面部的主导部分）、下颌骨（下颚）或颧骨（脸颊/乳头）。

这些病人中，有7名女性和9名男性，年龄从9岁到78岁不等。共对28个缺陷区域进行了手术，包括5个下颌段、9个颧骨、10个下颌体、角或下巴，以及4个上颌区域。

然后进行了长期随访，每个病人的随访时间从8到79个月不等。该研究主要分析了钛合金种植体的骨融合情况，但也记录了术后感染、种植体错位、功能效果、患者满意度、沉降、种植体周围的骨溶解以及出现的任何并发症。

研究发现，在28个种植体中，只有一个没有与骨结合。CBCT分析显示，术后6个月的骨融合率为96.5%。该研究还观察到，钛合金植入物周围没有出现骨溶解（一种骨组织被破坏的渐进式状况）或沉降。

根据该研究，参加试验的患者总体上对他们的手术结果在美学和功能上都很满意。不过，在五名进行颧骨重建的患者中，有两名患者由于对植入物的外观不满意而接受了修复手术。

△Treacher-Collins综合症患者的照片。图片来自《scientific reports》。

回顾植入物

根据是否需要稳定性，3D打印的植入物的骨与植入物接口被设计成网状或固体状。由于发现网状钛合金植入物的粗糙表面更有可能融入患者的骨骼，所以这款植入物是首选。

SLS能够在高的烧结温度下对钛等金属进行增材制造，然而该技术由于尺寸精度有限，表面粗糙度差，目前正在进行工艺改进以改善其性能。EBM使用电子束而不是激光束来烧结或熔合材料。与SLS不同，EBM可以通过选择性地扫描每个横截面层来制造复杂的几何形状。

通过EBM 3D打印的植入物比使用SLS3D打印的植入物更昂贵，但是发现在植入物界面类型或3D打印方法方面的临床结果没有区别。

随访发现，16名患者中有3名患者出现了并发症，如螺钉断裂和审美不满意，然而这些问题最终都得到了解决，所有患者的术后恢复都令人满意。

△其中一个修复手术案例研究。图片来自《scientific reports》。

基于患者的经验，该研究提出了3D打印钛合金患者特定植入物的使用指南。简而言之，研究建议，这种植入物应该用于面部骨的连续性缺陷，仅限于已经进行过重建且没有重建选择的硬组织，以及面部骨整形患者由于之前过度的骨制备而出现的轻度或中度骨缺陷的情况。

此外，该指南还说，3D打印钛合金植入物还应该用于对美学要求较高的情况，如纠正骨骼不对称，用于下颌骨等需要功能性承重的部位，以及需要与牙科植入物同时重建的情况。

关于这项研究的更多信息可以在《scientific reports》期刊上发表的题为："患者定制长效钛合金植入物在颌面部骨缺损重建中的应用/ Reconstructionof maxillofacial bone defects using patient-specific long-lasting titaniumimplants"的论文中找到。该研究的共同作者是H. Lim, Y. Choi, W. Choi,I. Song和U. Lee。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-022-11200-0