Технология 3D-печати (3DP), также известная как аддитивное производство (AM), представляет собой технологию, которая извлекает данные для реконструкции компьютерной 3D-модели и печатает объекты слой за слоем. Обеспечивая эффективный режим комбинирования, любой материал можно печатать в любой форме. Сложенные объекты. Это уникальное техническое преимущество позволяет материалам для 3D-печати точно имитировать структуру аутогенной кости для точного и персонализированного ортопедического лечения, открывая ортопедии новую эру индивидуальной настройки. Материалы 3D-печатных ортопедических имплантатов, которые были введены в клиническое применение, в основном включают органический полиэфирэфиркетон (PEEK) и титановый сплав. Титановый сплав имеет долгую историю применения, высокую удельную прочность, хорошую биосовместимость и хорошую коррозионную стойкость и в настоящее время широко используется. Другие металлические материалы, такие как тантал, сплав цинка, сплав магния и т. д., не нашли широкого применения. 3D-печать титановых сплавов можно точно регулировать и быстро создавать макроскопически и микроскопически близко к имплантатам из натуральной костной ткани. 3D-печать делится на три процесса: во-первых, сбор данных 3D-изображения, построение цифровой трехмерной модели и т. д.; во-вторых, превращение порошка титанового сплава и цитокинов в «биочернила» и, наконец, использование биологического 3D-принтера в соответствии с ортопедическими параметрами для улучшения структуры и производительности биопечатного тела, и, наконец, ортопедические имплантаты, отвечающие требованиям. произведено. В настоящее время он часто используется в клинической практике в протезах тазобедренного сустава, протезах коленного сустава, искусственных телах позвонков и т. д. Райклс и др. обобщили пропорции различных категорий 3D-печатных медицинских устройств, используемых в Соединенных Штатах с 2000 года, на долю титановых сплавов приходилось около 70 процентов, а 3D-печатные титановые сплавы уже давно созрели и используются на рынке. В этой статье методы биопечати, характеристики и ход клинического применения 3D-печатных титановых сплавов в ортопедии рассматриваются следующим образом.
Метод 3D-печати титановым сплавом
Основные методы 3D-печати включают селективное лазерное плавление, стереолитографию, электронно-лучевое плавление и технологию печати методом порошкового формования сопла и т. д. Среди них технология селективного лазерного плавления (SLM) и технология электронно-лучевого плавления (EBM) подходят для печати титановым сплавом. Технология EBM позволяет изготавливать имплантаты путем применения магнитопроводящего электронного луча для расплавления металлического порошка слой за слоем в высоком вакууме. Точность формования ЭЛМ несколько хуже, но эффективность формования высокая, не требуется вторичной термообработки, поэтому он подходит для изготовления ортопедических имплантатов. В настоящее время ортопедические имплантаты из титанового сплава в основном изготавливаются по технологии EBM. Технология SLM использует мощные оптические лазеры для сплавления металлического порошка в твердые формы имплантатов. SLM имеет высокую точность формования, но эффективность формования низкая и требует вторичной термообработки. Он имеет определенные преимущества при производстве тонких ортопедических имплантатов и формовании сложной конструкции.
Свойства титановых сплавов
Основным компонентом титанового сплава является Ti6Al4V, который благодаря своим хорошим характеристикам широко используется в ортопедии. Структурно кость в основном состоит из наружной кортикальной кости и внутренней губчатой кости с модулями упругости около 0,5 ГПа и 10-20 ГПа соответственно. Модуль упругости плотного титанового сплава составляет около 110 ГПа. После 3D-печати модуль упругости материала из титанового сплава ниже, чем у обычного титанового сплава, который ближе к физиологической структуре кости. Титановый сплав обладает хорошей биосовместимостью, способствует врастанию кости и остеоинтеграции и подходит для изготовления ортопедических имплантатов. Титановый сплав является не только жестким, но также обладает выдающейся гибкостью и хорошей устойчивостью к усталости. Он подходит в качестве опоры для суставов и может заменить другие металлические материалы. Титановые сплавы нерастворимы в сильных кислотах и щелочах, при этом обладают высокой удельной прочностью при 500°, нетоксичны для организма человека, обладают хорошей химической стабильностью, пригодны для имплантации в организм человека. Титановый сплав обладает хорошей коррозионной стойкостью, сопротивлением усталости и стабильностью. По сравнению с другими металлическими материалами его модуль упругости ближе к костному, поэтому он подходит для ортопедии.
Текущее состояние клинического применения 3D-печатного титанового сплава в ортопедии
3D-печать титановым сплавом широко используется в ортопедических клиниках, таких как производство искусственных протезов, внутренней фиксации, межпозвонкового спондилодеза, направляющей пластины, искусственной трабекулярной кости и т. д.
Применение хирургии позвоночника Хирургия позвоночника деликатна и сложна, а операция сложна. С течением времени дегенерация смежных сегментов в области хирургического вмешательства и плохая подвижность тел позвонков являются частыми осложнениями операций на телах позвонков. Выбор материала имплантата, подходящего для тела позвонка, и уменьшение осложнений являются проблемами, которые необходимо решить в хирургии позвоночника. Титановый сплав обладает хорошими механическими свойствами и устойчивостью к сжатию, а технология 3D-печати используется для персонализации имплантатов, которые подходят для операций на позвоночнике. 19 августа 2014 г. команда Лю Чжунцзюня из Третьей больницы Пекинского университета объявила, что ось 12-летнего пациента с саркомой Юинга была резецирована и заменена осью, напечатанной на 3D-принтере, которая превосходит традиционную титановую кейдж. склонность к западанию и изнашиванию передней части пищевода. недостаток. Это первый в мире зарегистрированный случай использования технологии 3D-печати для замены осевого отдела позвоночника. Lu и соавт. выполнили имплантацию тела искусственного позвонка с помощью 3D-печати 15 пациентам, которым должна была быть выполнена операция переднего спондилодеза, и в ходе послеоперационного наблюдения пришли к выводу, что использование этого точного метода лечения может в большей степени восстановить анатомическую структуру и предотвратить операцию. пост-осложнения. С развитием технологии 3D-печати интегрированное быстрое прототипирование титанового сплава в сочетании с технологией 3D-печати, а также изготовление персонализированных каркасов для межпозвонкового слияния также получили клиническое применение. Сиу и др. использовали 3D-печать титановым сплавом для лечения пациента с остеопоротическим переломом поясничного отдела позвоночника. Традиционный межпозвонковый спондилодез не мог соответствовать деформированной замыкательной пластинке этого пациента. Технология 3D-печати использовала форму замыкательной пластинки в качестве эталона для подготовки пациента с высокой степенью соответствия. Через 6 месяцев наблюдения межпозвонковая высота восстановилась, осложнений в виде деформации тел позвонков не было. Точность установки транспедикулярных винтов в хирургии позвоночника очень важна, неточная установка винтов может привести к повреждению соседних тканей и органов. Применение направляющей пластины для 3D-печати повышает вероятность успешного размещения гвоздя, снижает частоту перфорации и частоту ошибок при размещении гвоздя, делает операцию более точной и снижает излучение, вызванное рентгеноскопией врача во время процесса размещения гвоздя. Применение 3D-печатных титановых сплавов в искусственных телах позвонков, устройствах для межпозвонкового спондилодеза и вспомогательной хирургии по восстановлению позвоночника повысило точность хирургического лечения и уменьшило хирургические осложнения.
Применение травматологической хирургии Пациенты травматологической хирургии сложны и индивидуальны, и пациенты часто сопровождаются множественными переломами или переломами, которые сильно повреждены и трудно поддаются восстановлению. Титановый сплав обладает высокой стабильностью и подходит для ремонта трещин. В сочетании с технологией 3D-печати его можно использовать для интуитивного суждения и заблаговременного предоперационного моделирования, что способствует точному осуществлению предоперационного планирования, тем самым повышая хирургическую точность и эффективность, сокращая время операции и улучшая прогноз. Ким и др. оценили эффективность 3D-печатных блокирующих титановых пластин и традиционных блокирующих титановых пластин у пациентов с тяжелыми оскольчатыми переломами дистального отдела лучевой кости. Результаты показали, что титановые пластины, напечатанные на 3D-принтере, имеют такую же прочность, как и традиционные титановые пластины. Дизайн морфологии переломов и анатомии кости подтверждает исследовательскую перспективу 3D-печати в лечении переломов. Шуанг и др. насчитали 13 пациентов с межмыщелковыми переломами плечевой кости, из которых в 6 случаях использовались титановые пластины, напечатанные на 3D-принтере, и в 7 случаях использовались традиционные титановые пластины. Результаты показали, что применение 3D-печатных титановых пластин может сократить время операции и уменьшить количество осложнений. Применение 3D-печатного титанового сплава в травматологической хирургии в большей степени способствует восстановлению и заживлению переломов и улучшает прогноз.
Применение хирургии суставов Искусственная замена сустава является эффективным методом лечения тяжелых заболеваний суставов. Замена сустава может значительно улучшить клинические симптомы и восстановить функцию. Титановый сплав обладает хорошей устойчивостью к сжатию и высокой износостойкостью и подходит для изготовления ортопедических искусственных суставов. В последние годы сочетание титанового сплава и технологии 3D-печати привлекает все больше внимания к персонализированной подготовке имплантатов, соответствующих поражениям суставов. Дин Юцзянь и др. сообщил о случае ревизии тазобедренного сустава в 2019. Пациенту дважды выполняли открытую репозицию и внутреннюю фиксацию по поводу «перелома шейки левой бедренной кости». Ему была проведена замена тазобедренного сустава в 2006 г. и ревизия в 2019 г. Физическое состояние пациента и многочисленные операции в анамнезе сделали операцию сложной и рискованной. Чтобы повысить вероятность успеха операции, хирургическая бригада получила данные изображений и реконструировала их с помощью технологии 3D-печати, чтобы распечатать модель, соответствующую тазу пациента, и 3D-печатную модель, которую необходимо заменить. Протез из титанового сплава был отрепетирован для обеспечения плавного хода операции. Ли Джухонг и др. использовали напечатанные на 3D-принтере подушечки из титанового сплава для восстановления сложных дефектов вертлужной впадины. Расшатывания протеза в послеоперационном периоде не обнаружено, лечебный эффект был достоверным. Важным показателем для оценки успеха замены сустава является уменьшение боли и других симптомов после операции, а также улучшение качества жизни. Применение технологии 3D-печати в сочетании с титановым сплавом для изготовления имплантатов не только обладает превосходными характеристиками титановых сплавов, но и обеспечивает совместимость имплантатов с дефектами суставов пациентов. Он обладает хорошей совместимостью, уменьшает такие осложнения, как изнашивание суставов, и улучшает качество жизни пациентов. Ван и др. разделили 42 пациента, нуждавшихся в восстановлении вертлужной впадины, на две группы, одна группа использовала 3D-печатные пористые материалы из титанового сплава, наблюдалась через 3, 6 и 9 месяцев после операции и обнаружила, что группа наблюдения следовала Показатель SF-36 был значительно выше, а показатель VAS был значительно ниже, что указывает на то, что группа 3D-печати имела лучший лечебный эффект. Чжан и др. применил 3D-печать титановым сплавом для реконструкции трабекулярной кости для лечения раннего остеонекроза головки бедренной кости. Для оценки функции тазобедренного сустава использовали послеоперационную шкалу Харриса и визуальную аналоговую шкалу боли (ВАШ). В течение 24-месяца наблюдения послеоперационная оценка по шкале Харриса значительно увеличилась, а оценка по ВАШ значительно снизилась через 12 месяцев после операции. По мере усугубления некроза головки бедренной кости балл по шкале Харриса несколько снижался, а балл по ВАШ несколько увеличивался. Послеоперационные показатели улучшения составили 100 процентов для стадии ARCO IIA, 70 процентов для стадии IIB и 0 процентов для стадии IIC. Степень сохранения тазобедренного сустава составила 100% для стадии IIA, 100% для стадии IIB и 50% для стадии IIC. Результаты показывают, что метод лечения 3D-печатью титановым сплавом оказывает удовлетворительное влияние на ранний некроз головки бедренной кости, а клинические симптомы облегчаются.
Применение хирургии опухолей костей Хирургия опухолей костей часто требует подготовки протезов для замены части конечностей. Применение титановых сплавов, напечатанных на 3D-принтере, отличается высокой стабильностью и хорошей пластичностью и подходит для подготовки имплантатов. Меньшее количество послеоперационных осложнений в большей степени способствует послеоперационной репарации костных опухолей. В 2020 году Лин Юньчжи и соавт. сообщили о случае гигантоклеточной опухоли кости, в которой применялась технология 3D-печати до и во время операции. Перед операцией были собраны данные визуализации, а для интуитивного наблюдения была изготовлена модель 3D-печати. 3D-печатные имплантаты с хорошими результатами. С 2017 по 2019 год Лэй Цин и др. использовали 3D-печатную направляющую пластину в сочетании с 3D-печатной трабекулярной костью из титанового сплава для лечения 2 пациентов с опухолями плечевой кости. Послеоперационное наблюдение проводилось. Среди них в 1 случае наблюдались хорошие результаты, а в другом случае после операции наблюдались хорошие результаты. Протез расшатался через 14 месяцев и снова был укреплен хирургическим путем. При динамическом наблюдении до 34 мес после операции повторного смещения протеза не выявлено. Ван и др. использовали технологию 3D-печати для печати протезов и применили их к 11 пациентам с опухолями таза. Послеоперационный эффект хороший, расшатывания протеза не обнаружено. В 2019 году Фэн сообщил о случае радикальной резекции фибробластомы большеберцовой кости и использовании титанового сплава, напечатанного на 3D-принтере, для спасения конечности. Протез наблюдался в течение 1 года, расшатывания протеза не обнаружено. По шкале MSTS восстановление функции составило 86,7%. Существует хорошая интеграция между телом и костью пациента. Применение 3D-печатных имплантатов из титанового сплава в хирургии опухолей костей позволяет получить более точную анатомическую реконструкцию, ускорить выздоровление пациентов и добиться лучших хирургических результатов.
Техническое усовершенствование 3D-печати титановым сплавом
Титановый сплав в сочетании с технологией 3D-печати может в наибольшей степени имитировать структуру аутологичной кости, а его микроскопический размер пор, пористость и форма пор будут влиять на биосовместимость материала. Существующая литература показывает, что выводы исследований об оптимальном размере пор 3D-печатных титановых сплавов не полностью согласуются. Исследования Peng et al. показали, что пористость 3D-печатных титановых сплавов составляет от 60,95 до 81,23%, а размер пор составляет от 480 до 685 мкм, что подходит для ортопедических имплантатов. При диаметре 265 мкм модуль Юнга составляет 2,23-6,36 ГПа, предел текучести составляет 21,36-122,85 МПа, а также имеет хороший модуль упругости и прочность. Ли и др. изучили биосовместимость трех групп 3D-печатных титановых сплавов с размерами пор 300-400 мкм, 400-500 мкм и 500-700 мкм и, наконец, доказали, что материалы с размерами пор между {{2{ {34}}}} мкм имеют значительно лучшую биосовместимость в оставшихся двух группах. Танигучи и др. изготовили модель дефекта большеберцовой кости кролика и использовали для имплантации три группы пористых титановых сплавов размером 300, 600 и 900 мкм. Результаты показали, что эффект врастания кости в группе 600 мкм был лучшим. Ченг и др. изготовили (15,0 ± 2,9) процента, (37,9 ± 4,0) процента, (70,0 ± 3,5) процента три вида пористых материалов из титанового сплава, инокулировали мезенхимальные стволовые клетки костного мозга. Результаты показали, что клетки в 70-процентной группе росли больше всего. энергично. Это согласуется с выводами Tamaddon et al. Кроме того, исследования показали, что материалы из титанового сплава с шероховатой поверхностью в большей степени способствуют росту остеобластов. Оптимальный размер пор имплантатов еще предстоит изучить. Применение 3D-печати титановым сплавом можно продолжать совершенствовать, добавляя различные компоненты для оптимизации в соответствии с реальной ситуацией пациентов. Для ортопедических хирургических инфекций титановые сплавы, напечатанные на 3D-принтере, можно комбинировать с серебром, цинком, медью и другими антибактериальными металлами с помощью технологии модификации поверхности. Методы введения в основном включают введение материалов в виде сплавов и введение в виде модификации поверхности. К методам относятся: микродуговое оксидирование, электрохимическая модификация, магнетронное напыление, метод напыления, технология фотолитографии наносфер и др. При длительно незаживающих ранах после ортопедических операций возможно введение остеоиндуктивных компонентов для ускорения скорости заживления. Для разных пациентов введение различных компонентов, усовершенствованная технология 3D-печати титановым сплавом может еще больше улучшить заживление и реализовать индивидуальное лечение для пациентов.
Резюме и перспективы
Технология 3D-печати обладает большими преимуществами персонализированной и точной настройки. В сочетании с превосходными характеристиками титанового сплава его можно настроить в соответствии с исходной структурой кости пациента, и можно изготовить имплантат, соответствующий форме его собственной кости и аналогичный по микроструктуре. Преимущества Максимальное восстановление биомеханики, сокращение процесса реадаптации мягких тканей, улучшение срастания кости и более быстрое заживление кости. Текущее клиническое применение технологии 3D-печати также имеет свои ограничения: (1) Точная и персонализированная 3D-печать слишком зависит от данных изображений, что требует чрезвычайно высокой точности данных изображений. Влиять на внедрение материалов для 3D-печати. (2) Для сбора данных изображения и изготовления 3D-печати из титанового сплава требуются 3D-принтеры, вспомогательное оборудование для компьютерной томографии, МРТ, материалы из титанового сплава, системы моделирования и программного обеспечения, а стоимость материалов высока, что невыносимо для некоторых пациентов; инвестиции и использование оборудования требуют, чтобы врачи и инженеры сотрудничали друг с другом, координировали и участвовали в различных дисциплинах; в настоящее время из-за технических ограничений производственный цикл длительный, а экстренное хирургическое вмешательство трудно применить. (3) Что касается производства ортопедических имплантатов, оптимальные механические свойства, степень деградации, размер пор и размер пустот титановых сплавов, напечатанных на 3D-принтере, все еще нуждаются в дальнейших исследованиях; (4) Краткосрочный эффект титановых сплавов, напечатанных на 3D-принтере, является удовлетворительным, но из-за короткого времени применения долгосрочные результаты наблюдения и лечения осложнений все еще отсутствуют.
В последние годы технология 3D-печати добилась значительного прогресса в области медицины. В частности, 3D-печать титановыми сплавами произвела революцию в нашем подходе к ортопедической хирургии. В этой статье мы рассмотрим различные клинические применения 3D-печатных титановых сплавов в ортопедии.
Прежде всего, технология 3D-печати позволяет изготавливать персонализированные имплантаты, специально адаптированные к уникальной анатомии пациента. Это значительно улучшает результаты хирургического вмешательства, снижает риск осложнений и сокращает время восстановления. Например, теперь хирурги могут использовать напечатанные на 3D-принтере титановые тазобедренные имплантаты с пористой поверхностью, которые способствуют росту кости, что может значительно снизить риск вывиха.
Кроме того, титановые сплавы, напечатанные на 3D-принтере, можно использовать для создания направляющих для разреза для конкретных пациентов, которые помогают хирургам точно разрезать кости во время операции. Это не только повышает безопасность и точность процедуры, но и обеспечивает сохранение окружающих тканей, снижая риск послеоперационных осложнений.
Более того, технология 3D-печати расширила возможности лечения сложных переломов костей. Например, пластины и винты из титанового сплава, напечатанные на 3D-принтере, могут быть изготовлены на заказ в соответствии с уникальной структурой кости пациента. Это позволяет более стабильно фиксировать перелом, улучшая результат и снижая потребность в дополнительных операциях.
Наконец, использование 3D-печати в ортопедии может снизить расходы на здравоохранение. Комбинируя персонализированные имплантаты, режущие шаблоны и хирургические инструменты в рамках одной операции, можно сократить время операции и связанные с этим расходы.
В заключение следует отметить, что достижения в технологии 3D-печати значительно улучшили клиническое применение титановых сплавов в ортопедии. Персонализированные имплантаты, шаблоны для резки и хирургические инструменты произвели революцию в этой области. Будущее в этой области выглядит светлым, и мы можем ожидать дальнейшего развития использования 3D-печати в ортопедии. Несмотря на то, что в технологии 3D-печати титановыми сплавами все еще существует много проблем, которые необходимо срочно решить, эта технология обладает уникальными преимуществами, которые согласуются с концепцией точной медицины, отстаиваемой в настоящее время, и имеет большое исследовательское значение в области ортопедии. Считается, что благодаря постоянному и всестороннему развитию технологий 3D-печать титановым сплавом может преодолеть свои текущие недостатки и произвести качественный скачок.
