西南醫(yī)院：引領3D打印新方向

2016年，陸軍軍醫(yī)大學西南醫(yī)院（以下簡稱“西南醫(yī)院”）率先開始研究“具有生物功能的個性化假體快速成型及3D打印關鍵技術”，該項目為國家重點研發(fā)計劃，其相關成果已初步應用于臨床，目前已經(jīng)完成4例個性化3D打印顱-頜面骨、2例距骨、2例月骨、2例橈骨小頭假體以及1萬多件3D打印口腔修復體。現(xiàn)在已拓展到髖臼杯假體、舌弓、多階段椎體、間隙維持器、寰樞椎假體等20余項個性化快速定制產(chǎn)品，突破了3D打印快印成型關鍵技術的瓶頸，對引領生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)技術進步具有重要的意義。

定制個性化

不同患者的個體解剖結構都不相同，如果按照患者個體量身定制假體，需要面臨高額成本和較長制備期。3D打印不僅可以生產(chǎn)形狀復雜、難以加工的假體，還可實現(xiàn)個性化設計和柔性化生產(chǎn)，縮短從設計到制造的時間，降低制作成本，為患者節(jié)約大量經(jīng)費。

為了突破3D打印假體快速制造的關鍵技術，并將合格產(chǎn)品應用于臨床，西南醫(yī)院骨科運動醫(yī)學中心主任、重慶市運動創(chuàng)傷研究所所長唐康來教授帶領團隊開展了“個性化假體高精度快速制造裝備與關鍵技術的研發(fā)”，取得了一定的成績。

唐康來告訴記者，研發(fā)團隊從基礎理論出發(fā)，以設備和軟件開發(fā)為抓手，以假體材料和構架設計為關鍵，以具有生物功能的個性化高精度假體為目標，在經(jīng)歷了注冊證審批、臨床批件和專利的獲取等種種困難后，最終突破3D打印成型技術的瓶頸，建立了個性化假體植入的“72h解決方案”、個性化假體植入的SOP解決方案和標準的制定，最終實現(xiàn)了個性化產(chǎn)品的“私人訂制”并推廣應用。

2016年6月29日，西南醫(yī)院骨科運動中心接診了一個距骨已經(jīng)塌陷壞死的患者方先生。方先生今年27歲，是一名電氣工程師，兩年前跌傷后造成距骨骨折，醫(yī)治多年無效。其他醫(yī)院給他的建議是做脛-距-跟植骨融合手術，但做完這種手術，年輕的方先生就無法再自如行走了，于是抱著試一試的心態(tài)來到了西南醫(yī)院，沒想到，他成為世界首例接受個性化3D打印距骨假體植入手術的患者。

2016年7月4日，西南醫(yī)院成功為方先生實施了該手術，從采集數(shù)據(jù)、解剖數(shù)據(jù)、生物力學數(shù)據(jù)分析，到設計、打印、消毒等程序，再到手術植入，一共僅花了72小時。由于該手術為世界首例，代表著前沿技術，所以醫(yī)學界專業(yè)雜志《柳葉刀》也現(xiàn)場觀摩了手術。

唐康來介紹，這種個性化假體優(yōu)勢明顯，以往的假體，包括關節(jié)和骨頭耗材都是模型化，所有人都使用幾種固定的型號，只能把自己的骨頭截掉一點，把假體裝進去。而現(xiàn)在，根據(jù)每個人的解剖結構，用三維重建數(shù)據(jù)，進行3D打印，關節(jié)假體可跟人體完全匹配，完全是個性化的。

其次，以往假體多數(shù)是簡單的支撐作用，而現(xiàn)在更強調生物學功能的關節(jié)假體，不僅要求有支撐連接作用，還得有活動承重功能。所以這需要假體關節(jié)表面要光滑，其彈性、硬度和柔韌性要跟本體一致，否則會對本體骨頭產(chǎn)生磨損。該手術中，關節(jié)假體主體為鈦合金，表面為特殊材料，這樣可以確保硬度以及解剖表面的光滑度。打印關節(jié)的每個部位，都根據(jù)不同的部位密度和應力，進行了差異化設計。

目前，方先生已經(jīng)可以完全正常活動了。方先生說，當初同意手術時，心里只有六成的信心，畢竟這種手術從來沒有做過，現(xiàn)在他希望這項頂尖技術能夠普及開來，服務更多患者。

1 西南醫(yī)院生產(chǎn)的具有生物功能的個性化3D打印模型。

注入生物性

具有生物功能的3D打印是指打印的假體能夠實現(xiàn)正常組織的生物功能，具有與骨彈性模量相似的支撐結構，滿足關節(jié)活動的摩擦界面，優(yōu)化骨與假體界面整合的表面涂層，實現(xiàn)假體與肌腱、韌帶愈合的軟組織固定材料。

3D打印用的原始材料包括金屬材料（堿金屬、合成材料）、無機材料（生物陶瓷、羥基磷灰石）、有機材料（天然高分子、合成高分子）。如何才能使這些冷冰冰的材料具備生物性？

唐康來告訴記者，通過“具有生物功能假體材料和構架設計關鍵技術的研制”項目研究，西南醫(yī)院已經(jīng)掌握了3D打印注入生物性的關鍵技術，即“骨泥”。手術中，醫(yī)生會截取一部分患者自身依然健康完好的骨頭，攪打成細碎的骨顆粒，加入BMP和促骨形態(tài)發(fā)生蛋白等材料，做成“骨泥”注入3D打印的假體中。同時，骨與假體的界面采用多孔結構，這一設計為假體與骨的愈合提供了可能。

2 西南醫(yī)院開展具有生物功能的個性化3D打印手術。

首先，三維交通的孔隙結構能夠使體液自由傳輸，為骨的長入帶來營養(yǎng)，并帶走代謝廢物，為骨的長入提供優(yōu)質的微環(huán)境；其次，多孔結構的粗糙內外表面有利于細胞的粘附、增值和分化，促進骨組織長入空隙，使得植入體與骨組織形成絞鎖結構，最終形成一個整體，有利于假體的穩(wěn)定；再次，多孔結構的設計，能夠減少金屬植入體的彈性模量，降低或消除假體的應力遮擋效應，減少假體無菌性松動的發(fā)生；最后，科研團隊在假體界面噴涂生物相容性好的羥基磷灰石涂層，更加有利于骨與假體的整合。

“以前的假體是沒有動力的，因而患者無法自主活動。西南醫(yī)院的3D打印技術通過生物性實現(xiàn)了動力性，引領了骨科和3D打印發(fā)展的新方向。”河南省一家醫(yī)院的骨科醫(yī)生評價道。

據(jù)介紹，這項世界前沿技術得到了多家科研機構支持。西南醫(yī)院聯(lián)合山東威高骨科材料有限公司、中國科學院重慶綠色智能技術研究院、中國科學院物質結構研究所等十個單位協(xié)作攻關才得以運用。預計在經(jīng)歷完四年半的科研到臨床過程后，該項技術就可以真正來到患者身邊。

唐康來表示，將3D打印運用到醫(yī)療領域需要經(jīng)歷四個階段：第一階段為制造模型來輔助手術或教學，如3D打印骨導板和模塊；第二階段為簡單支撐或承重結構，如3D打印顱骨、骨盆假體等，技術成熟度高，產(chǎn)品已用于臨床；第三階段為打印具有生物功能的骨與關節(jié)假體，通過3D打印恢復關節(jié)生物學功能，這是未來五年主要的研究方向，目前，西南醫(yī)院正處于該階段的臨床試用階段；第四階段為生物3D打印替代組織或器官，3D復合打印活細胞與支架結構重建組織或器官，這種“生物打印”正是西南醫(yī)院為之奮斗的目標。