全球首例!“3D打印+仿生”技术定制钽金属多孔支架保住患者髋关节

2019年04月15日16:35  来源:人民网-湖南频道
 
全球首例!“3D打印+仿生”技术定制钽金属多孔支架保住患者髋关节

人民网长沙4月15日电  如果说股骨头是一座房子,那么其中的骨小梁就是支撑的房梁;当骨小梁因股骨头坏死而变得不再坚固,那房子也就会摇摇欲坠。近日,中南大学湘雅医院骨科专家为39岁的股骨头坏死患者谭先生精准植入一根定制的钽金属“房梁”,支撑起坏死的股骨头,保住患者的髋关节。

此次由国内团队自主创新研发的3D打印个性化定制仿生骨小梁多孔钽金属支架植入手术,在世界范围内尚属首例,打破国外的技术垄断;为骨关节临床提供新思路、新方法和理论依据,为我国骨科植入医疗技术和人们医疗健康贡献力量。

39岁患者股骨头坏死:个性化定制钽金属“房梁”

去年冬天开始,谭先生只要多走几步就感觉腰背疼痛,在辗转多家医院后确诊为II期股骨头坏死,当地医生建议他做关节置换手术;为了能尽量保住自己的髋关节,今年3月谭先生找到湘雅医院骨科主任胡懿郃教授进行治疗。

而此时他只要下地行走,就会出现右髋强烈的疼痛,导致只能卧床在家休息。“谭先生股骨头里面的‘房梁’骨小梁结构发生了损伤,但‘房顶’还未发生塌陷,对这种早期青壮年患者来说保髋治疗是首选,这就需要用新的‘房梁’来支撑,保持‘房顶’不掉下来。”胡懿郃教授介绍道。

青壮年时期是患者关节活动量最大的阶段,也是骨头和血管再生能力最强的阶段,保髋治疗成功率相对较高;否则一旦坏死持续进展,导致股骨头塌陷变扁后,髋关节的关节面会被迅速破坏,患者将失去运动能力和劳动能力,最终只能接受人工全髋关节置换。

谭先生股骨头的新“房梁”,是由胡懿郃教授团队自主研发的最新3D打印仿生骨小梁多孔钽金属支架,它是国家重点研发计划“3D打印个性化植入器械临床应用研究与推广”的成果,由湘雅医院骨科和复杂结构增材制造国家工程实验室 医学材料3D打印分中心通过产学研医平台和医工结合方式研发。

“相比于目前最常用的钛金属,钽金属生物相容性更佳,人体不易发生排异反应。”胡懿郃教授表示,钽金属的弹性模量更接近骨组织,更适合仿生人体的骨小梁结构,骨组织长入速度大大高于钛金属,可以促进骨细胞快速长到钽金属棒的孔隙中。

目前,全球少数几家制作此种材料的公司,生产的都是“均码”圆柱体钽金属棒,其规则的“蜂巢状”孔隙结构也并未十分切合人体骨小梁结构。对此,雷鹏飞组织联合3D打印专家杨景周博士,组织医工交互团队通过精心设计和3D打印技术,通过河北大洲公司,为谭先生个性化定制了一根钽金属“房梁”。

根据谭先生的CT和MRI影像学数据进行配准,建立计算机3D模型,可以精确根据患者实际的骨坏死区域,通过金属激光3D打印来个性化定制钽金属棒。“进口的钽金属棒产品顶端是圆柱体的平面,在与圆弧型的股骨头接触时只有单个的接触点受力。而我们特地根据3D模型把顶端设计成弧形,这样就与股骨头关节面的弧度更为匹配,通过面的接触来增加支撑效果,可以更好地预防塌陷。”胡懿郃教授介绍。

精确“制导”:3D打印仿生骨小梁结构促进骨组织快速生长

当自体骨组织长入钽金属棒后,“房梁”才会更加稳定。那么该如何加快骨组织的长入速度呢?“我们通过与算法工程师紧密合作,根据谭先生骨小梁不规则的结构来设计,可以更好地‘伪装’成骨小梁,诱导骨长入。”胡懿郃教授表示,钽金属支架的孔隙率要求非常严格,孔隙太大将不利于骨组织生长,而孔隙太小导致支架太重,与人体骨骼的差别又很大。

这种设计传统的机械加工或者化学气相沉积无法实现,只有3D打印才可以做到,而钽金属作为难熔金属,在3D打印过程中,对粉体性能、激光熔化参数、设备稳定性、铺粉质量、打印精度等要求都非常高,团队试验近1年才打印出满意的支架。

此外,胡懿郃教授团队还在钽金属棒内部留了一定的通道空隙,可以填充患者自体的松质骨,利用钽金属“亲生物”的特性,在钽金属棒中播下“种子”。骨组织可以同时在内部和外部在假体表面生长,术后大概2个星期就可以长进去,最终实现多孔钽金属棒和人体的完全融合。

“我们在钽金属棒的尾部设计了螺旋形自锁定装置,类似于‘膨胀螺丝’,患者术后活动就不用担心钽金属棒退出来;后期我们还将设计压配打击植入的锁定机制。”雷鹏飞博士后说。手术时雷鹏飞博士后运用3D打印技术制造一个“双导向”手术导板,既可以精准定位手术入口和路线,便于进行坏死区域的髓芯减压和坏死骨质的刮除,又可以直达病灶,精准地将钽金属棒植入进入,大大减少手术时间和对患者组织的损伤。

“传统的手术方式,即便是有经验的医生,也需要多次尝试打入导针,这样不仅会延长手术时间和增加术中X射线透视数量,也会增加患者软组织的创伤。而在手术导板的指引下,我们仅仅几分钟就达到病灶,将股骨头内坏死的骨质从进针通道内取出,再植入钽金属棒,整个手术时间不到半个小时。”胡懿郃教授说道。

术后第一天谭先生就能坐起来,伤口区域没有疼痛;术后第二天就可以站立。为确保骨长入专家建议他早期部分负重,他的手术伤口采用美容缝合无需拆线,还覆盖上最近胡教授团队创新运用的生物半透膜敷料,无需换药可以立刻洗澡,这使得谭先生真正实现快速康复。

“股骨头坏死是进展性的,目前发病机制不明,也没有有效的根治方法。对于年轻的股骨头坏死早期患者,我们希望能通过新的材料和手术方法,尽量保住他们的髋关节,延缓股骨头坏死的速度,避免患者过早接受髋关节置换术。如果骨头生长情况好,患者甚至可以不用接受髋关节置换术。”胡懿郃教授表示。(王洁)

(责编:万丽君、邢佳)