如果說(shuō)股骨頭是一座房子，那么其中的骨小梁就是支撐的房梁。當骨小梁因股骨頭壞死而變得不再堅固，那房子就會(huì )搖搖欲墜，房頂也就離塌陷不遠了。

近日，中南大學(xué)湘雅醫(yī)院骨科專(zhuān)家為39歲的股骨頭壞死患者譚先生精準植入了一根定制的鉭金屬“房梁”，支撐起壞死的股骨頭，保住了患者的髖關(guān)節(jié)。此次由國內團隊自主創(chuàng )(chuàng)新研發(fā)(fā)的3D打印個(gè)性化定制仿生骨小梁多孔鉭金屬支架植入手術(shù)，在世界范圍內尚屬首例，打破了國外的技術(shù)壟斷。

股骨頭壞死導致“房梁”斷裂

去年冬天開(kāi)始，譚先生就經(jīng)常感覺(jué)腰背疼痛，只要多走幾步，右髖關(guān)節(jié)和右腹股溝區(qū)域就酸痛得厲害。他本以為是普通的腰椎間盤(pán)突出，然而輾轉好幾家醫(yī)院后卻最終被確診為II期股骨頭壞死。當地醫(yī)生建議他做關(guān)節(jié)置換手術(shù)。

正值青壯年的譚先生希望能盡量保住自己的髖關(guān)節(jié)，今年3月，他找到了湘雅醫(yī)院骨科主任胡懿郃教授。而此時(shí)，他只要下地行走，就會(huì )出現右髖強烈的疼痛，已經(jīng)無(wú)法工作，只能臥床在家，嚴重影響了他的生活。譚先生股骨頭里面的‘房梁’骨小梁結構發(fā)(fā)生了損傷，但‘房頂’還未發(fā)(fā)生塌陷，對于這種早期的、青壯年的患者來(lái)說(shuō)，保髖治療是首選，這就需要用新的‘房梁’來(lái)支撐，保持‘房頂’不掉下來(lái)。

青壯年時(shí)期是患者關(guān)節(jié)活動(dòng)量最大的階段，也是骨頭和血管再生能力最強的階段，保髖治療成功率相對較高。否則，一旦壞死持續(xù)進(jìn)展，導致股骨頭塌陷變扁后，髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面會(huì )被迅速破壞，患者將失去運動(dòng)能力和勞動(dòng)能力，最終只能接受人工全髖關(guān)節(jié)置換。

醫(yī)工合作個(gè)性化定制鉭金屬“房梁”

譚先生股骨頭的新“房梁”，是胡懿郃教授團隊自主研發(fā)(fā)的最新“秘密武器”——3D打印仿生骨小梁多孔鉭金屬支架。這一產(chǎn)品是國家重點(diǎn)研發(fā)(fā)計劃“3D打印個(gè)性化植入器械臨床應用研究與推廣”的成果，由中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗室和湘雅醫(yī)院骨科共同通過(guò)產(chǎn)學(xué)研醫(yī)平臺和醫(yī)工結合方式研發(fā)(fā)。

3D打印仿生骨小梁多孔鉭金屬支架

相比于目前最常用的鈦金屬來(lái)說(shuō)，鉭金屬生物相容性更佳，人體不易發(fā)(fā)生排異反應。更為重要的是，鉭金屬的彈性模量更接近骨組織，更適合仿生人體的骨小梁結構，骨組織長(cháng)入速度大大高于鈦金屬，可以促進(jìn)骨細胞快速長(cháng)到鉭金屬棒的孔隙中。然而，目前全球少數幾家制作此種材料的公司，制造的是“均碼”的圓柱體鉭金屬棒，其規(guī)則的“蜂巢狀”孔隙結構也并未十分切合人體骨小梁結構。那么，如何才能讓鉭金屬“房梁”更好地發(fā)(fā)揮支撐作用呢？

在胡懿郃教授的指導下，湘雅醫(yī)院骨科醫(yī)師、生物醫(yī)用材料博士后雷鵬飛組織醫(yī)工交互團隊通過(guò)精心設計和3D打印技術(shù)，為譚先生個(gè)性化定制了一根鉭金屬“房梁”。根據譚先生的CT和MRI影像學(xué)數據進(jìn)行配準，建立了計算機3D模型，可以精確根據患者實(shí)際的骨壞死區(qū)域，通過(guò)金屬激光3D打印來(lái)個(gè)性化定制鉭金屬棒。

進(jìn)口的鉭金屬棒產(chǎn)品頂端是圓柱體的平面，在與圓弧型的股骨頭接觸時(shí)，只有單個(gè)的接觸點(diǎn)受力。而我們特地根據3D模型把頂端設計成弧形，這樣就與股骨頭關(guān)節(jié)面的弧度更為匹配，通過(guò)面的接觸來(lái)增加支撐效果，可以更好地預防塌陷。

3D打印仿生骨小梁結構，促進(jìn)骨組織快速生長(cháng)

當自體骨組織長(cháng)入鉭金屬棒后，“房梁”才會(huì )更加穩(wěn)定。那么，該如何加快骨組織的長(cháng)入速度呢？胡懿郃教授團隊創(chuàng )(chuàng)新采用了“仿生”的方法。

我們通過(guò)與算法工程師緊密合作，根據譚先生骨小梁不規(guī)則的結構來(lái)設計，比起進(jìn)口的鉭金屬棒規(guī)則的‘蜂巢’型結構，彈性模量和表面摩擦系數與人體松質(zhì)骨更為接近，可以更好地‘偽裝’成骨小梁，誘導骨長(cháng)入。胡懿郃教授表示，鉭金屬支架的孔隙率要求非常嚴格，孔隙太大將不利于骨組織生長(cháng)，而孔隙太小導致支架太重，與人體骨骼的差別又很大。

這一設計的實(shí)現并不容易，通過(guò)傳統的機械加工或者化學(xué)氣相沉積無(wú)法實(shí)現，只有3D打印才可以做到。而鉭金屬作為難熔金屬，在3D打印過(guò)程中，對粉體性能、激光熔化參數、設備穩(wěn)定性、鋪粉質(zhì)量、打印精度等要求都非常高，團隊試驗了近1年才打印出滿(mǎn)意的支架。此外，胡懿郃教授團隊還在鉭金屬棒內部留了一定的通道空隙，可以填充患者自體的松質(zhì)骨，利用鉭金屬“親生物”的特性，在鉭金屬棒中播下“種子”。骨組織可以同時(shí)在內部和外部在假體表面生長(cháng)，術(shù)后大概2個(gè)星期就可以長(cháng)進(jìn)去，最終實(shí)現多孔鉭金屬棒和人體的完全融合。

“我們在鉭金屬棒的尾部設計了螺旋形自鎖定裝置，類(lèi)似于‘膨脹螺絲’，患者術(shù)后活動(dòng)就不用擔心鉭金屬棒退出來(lái)；后期我們還將設計壓配打擊植入的鎖定機制?！崩座i飛博士后說(shuō)。

幾分鐘抵達病灶，半小時(shí)完成手術(shù)

鉭金屬“房梁”做好后，如何通過(guò)手術(shù)精準植入也非常重要。雷鵬飛博士后運用3D打印技術(shù)制造了一個(gè)“雙導向”手術(shù)導板，既可以精準定位手術(shù)入口和路線(xiàn)，便于進(jìn)行壞死區(qū)域的髓芯減壓和壞死骨質(zhì)的刮除，又可以直達病灶，精準地將鉭金屬棒植入進(jìn)入，大大減少了手術(shù)時(shí)間和對患者組織的損傷。

醫(yī)生模擬手術(shù)前的導板

“傳統的手術(shù)方式，即便是有經(jīng)驗的醫(yī)生，也需要多次嘗試打入導針，這樣不僅會(huì )延長(cháng)手術(shù)時(shí)間和增加術(shù)中X射線(xiàn)透視數量，也會(huì )增加患者軟組織的創(chuàng )(chuàng)傷。而在手術(shù)導板的指引下，我們僅僅幾分鐘就達到了病灶，將股骨頭內壞死的骨質(zhì)從進(jìn)針通道內取出，再植入鉭金屬棒，整個(gè)手術(shù)時(shí)間不到半個(gè)小時(shí)?！焙側A教授表示。術(shù)后第一天，譚先生就坐起來(lái)了，傷口區(qū)域沒(méi)有疼痛；術(shù)后第二天就可以站起來(lái)了。為了確保骨長(cháng)入，專(zhuān)家建議他早期部分負重。他的手術(shù)傷口采用美容縫合無(wú)需拆線(xiàn)，還覆蓋上了最近胡教授團隊創(chuàng )(chuàng)新運用的生物半透膜敷料，無(wú)需換藥還可以立刻洗澡，這使得譚先生真正實(shí)現了快速康復。

“股骨頭壞死是進(jìn)展性的，目前發(fā)(fā)病機制不明，也沒(méi)有有效的根治方法。對于年輕的股骨頭壞死早期患者，我們希望能通過(guò)新的材料和手術(shù)方法，盡量保住他們的髖關(guān)節(jié)，延緩股骨頭壞死的速度，避免患者過(guò)早接受髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。如果骨頭生長(cháng)情況好，患者甚至可以不用接受髖關(guān)節(jié)置換術(shù)?！焙侧A教授表示。據悉，湘雅醫(yī)院骨科胡懿郃教授團隊將繼續(xù)致力于研發(fā)(fā)3D打印個(gè)性化仿生多孔鉭金屬植入物修復骨缺損，為骨關(guān)節(jié)臨床提供新思路、新方法和理論依據，并集成數字技術(shù)和現代人工智能，產(chǎn)學(xué)研自主創(chuàng )(chuàng)新研發(fā)(fā)，為我國骨科植入醫(yī)療技術(shù)和人們醫(yī)療健康貢獻力量。

來(lái)源：中國3D打印網(wǎng)