個性化3D打印多孔鉭植入假體設計的基本原則*

劉 洋，吳先哲，馬幸雙，何 鵬，王富友，羅彥鳳△

(1.重慶大學生物工程學院生物流變科學與技術教育部重點實驗室 400030；2.重慶市光學機械研究所 401123；3.陸軍軍醫大學第一附屬醫院關節外科，重慶 400038)

結合三維(3D)打印技術的個性化醫療手段可為患者量身定制符合其個人需要的植入假體，已成為現今臨床醫療的新趨勢[1-3]。植入假體的設計是決定假體臨床應用成敗的關鍵。為此，中國醫療器械行業協會發布了一系列與3D打印假體設計相關的團體標準[4-6]。這些團體標準對假體設計的流程和各設計環節進行了規范，其核心目的是保證假體幾何尺寸與缺損部位相匹配，并且在體內工況環境中假體不被破壞。骨組織是一種力敏感性組織，其受力狀態直接影響骨組織的生長狀態。假體植入后其周圍骨組織的受力狀態與假體對力學載荷的傳遞密切相關。因此，在假體設計時，還需要從骨生物力學和力生物學的角度考慮假體的設計。鉭金屬是一種具有優異抗腐蝕性、良好抗磨損性的金屬材料[7]。多孔鉭在臨床上具有優異的促骨融合能力，這使得多孔鉭成為一種備受青睞的骨科生物材料[8-11]。但同時，鉭又是一種密度大、熔點高、價格貴的金屬生物材料。在多孔鉭植入假體的設計中，也應該考慮鉭的這些特征。本文通過總結多孔鉭髁骨假體、人工膝關節置換翻修術脛骨缺損多孔鉭假體、大段脛骨缺損多孔鉭假體等多類個性化假體設計的實踐經驗，從骨生物力學和力生物學的角度，結合鉭金屬的特征，嘗試梳理出多孔鉭假體的設計原則，以期提高多孔鉭植入假體臨床應用的安全性、有效性、經濟性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

從2017年11月至2020年11月，課題組共開展了53例3D打印多孔鉭植入假體的設計。設計案例資料見圖1。

圖1 多孔鉭植入假體設計案例及部位分布

1.2 方法

多孔鉭植入假體的設計流程見圖2，包括：(1)主刀醫生根據臨床需求確定診療方案，提出假體的定制要求；(2)工程師根據定制要求設計開發假體，判定假體是否滿足要求；(3)主刀醫生選擇和確定最優的假體模型。假體的整個設計過程涉及緊密的醫工交互，設計工程師從生產企業研發體系的角度，將主刀醫生需求轉化為工程內容，同時限定醫生間自由度，確保性能穩定性，而醫生在設計開發的各個環節均有深度主導性[12]。

圖2 多孔鉭植入假體設計的基本流程

通過綜合考慮假體(尺寸、力學性能)、骨組織(生物力學、力生物學特征)及鉭材(密度、價格)的影響，總結多孔鉭植入假體設計的基本原則。

2 結 果

2.1 基本原則

多孔鉭植入假體在體內的主要作用是替代缺損骨組織，因此植入假體與骨缺損部位的解剖匹配性，以及假體在體內工況條件下的力學安全性是假體設計時需要考慮的首要因素。此外，假體與骨缺損周圍骨組織接觸并將體內工況下的力學載荷傳遞給骨組織。骨組織接受到的力學載荷的大小影響骨組織生長。只有當骨組織接受到合適大小的力學載荷時，骨組織才會正常生長。受力不足，則會引起骨吸收；受力過大，則會破壞骨組織。因此，工程師在設計多孔鉭植入假體時需綜合考慮假體及與假體接觸的骨組織的理化和生物學特征。本課題組從53例多孔鉭植入假體的設計經驗和臨床應用效果中梳理出了假體設計需遵循的“四性原則”，即尺寸匹配性原則或解剖匹配性原則、假體安全性原則、骨組織受力有效性原則和骨組織安全性原則。

2.1.1解剖匹配性原則

解剖匹配性原則是指所設計的假體的幾何形狀需要與骨缺損尺寸或骨缺損部位的解剖結構相匹配。引入尺寸系數k，代表假體幾何尺寸與骨缺損尺寸的比值。k值的大小與病變部分、假體形狀和3D打印技術類型有關。本課題組通過53個病例的設計實踐，發現k值通常在0.9～1.1。具體的數值需與主刀醫生討論確定。對采用相同技術打印的相同部位或類似部位的多孔鉭假體，經臨床多次驗證為合理的k值，可作為主刀醫生和假體設計工程師的參考。合理的k值不僅可以實現假體的解剖匹配性，而且有利于手術的順利開展。

2.1.2假體安全性原則

假體設計的首要要求是保證假體在患者體內工況下不滑移、不破壞，即具有良好的“假體安全性”。假體安全性原則的判斷依據：(1)假體位移小于0.15 mm；(2)且假體應力小于假體屈服強度或破壞強度(無塑性變形情況)。

2.1.3骨組織受力有效性原則

骨組織受力有效性原則是指假體植入體內后能傳遞足夠的力學載荷給鄰近的宿主骨組織以刺激患者宿主骨的生長，而不會因為彈性模量過高而引起應力屏蔽效應。建議以應變(ε)作為骨組織受力有效性原則的考察指標：ε=σ/E，其中σ為假體鄰近骨組織在體內工況下所受的應力，E為假體鄰近骨組織的彈性模量。當通過假體傳遞到骨組織的載荷使骨組織的應變為400～2 000 με時，可視假體滿足骨組織受力有效性原則。

2.1.4骨組織安全性原則

假體植入后通過假體傳遞到患者骨組織的力學載荷不能過高而損壞宿主骨，這就是骨組織安全性原則。骨組織的力學性能與患者個體和組織部位有關。當通過假體傳遞到骨組織的最大應力不超過骨組織的最低強度或文獻報道最低值時可視為骨組織安全。為安全起見，建議將骨組織的屈服強度作為骨組織破壞的閾值，即在體內工況條件下通過假體傳遞到骨組織的應力低于骨組織的屈服強度時可視為滿足骨組織安全性原則。

2.1.5成本最低化原則

鉭是一種密度大、價格高的金屬材料。因此，在滿足以上4個原則(“四性原則”)的基礎之上，還需結合臨床需求和主刀醫生的建議，從減少重量、降低成本的角度設計多孔鉭的孔徑和絲徑等參數，選擇合適的多孔鉭假體模型。

2.2 患者臨床結局

按照此“四性原則”設計的多孔鉭植入假體，在臨床植入患者體內后，經隨訪(最長隨訪時間3年)患者缺損部位功能恢復良好，無1例失敗。

3 討 論

個性化多孔鉭植入假體因鉭材優良的生物相容性和假體的解剖匹配性而在骨缺損修復中倍受關注，但有關多孔鉭假體設計需遵循的基本原則，目前尚缺乏較全面的總結。本文從假體(尺寸、力學性能)、骨組織(生物力學、力生物學特征)及鉭材(密度、價格)3個方面提出了假體設計需遵循的“四性原則”和成本最低化原則。該設計原則的提出對保證個性化多孔鉭植入假體的安全性、有效性和經濟性有良好的指導意義。

假體的解剖匹配性是假體設計需滿足的首要原則?！捌ヅ洹钡睦硐牒x是假體尺寸與患者缺損部分的尺寸完全相同。但在實際設計中，需考慮3D打印的誤差及臨床手術的可操作性。因此，假體設計的最終尺寸可能大于或小于缺損部位的尺寸，多數情況是小于骨缺損部位的實際尺寸。本課題組在假體設計中首次引入尺寸系數k這一參數，并發現這一參數在相同部位或類似部位的多孔鉭假體設計中具有很強的參考性，這對于提高假體解剖匹配性，縮短假體設計時間有重要意義。

假體力學安全性也是現有金屬假體設計重點關注的指標，但缺乏較全面的定量評價指標。大量研究證明，假體與骨界面的微移動是影響假體周圍骨組織生長的重要因素[13-17]。早期研究表明，當假體和骨骼界面的初始位移超過0.15 mm時，假體周圍的骨組織生長將受到抑制，假體周圍會形成軟的結締組織[13-14]。隨著假體表面處理技術的發展和多孔假體的出現，假體表面促骨長入的能力得到增強，使得骨組織對假體初始位移的容忍程度得到一定的增強。當在髖關節外杯表面噴涂上羥基磷灰石涂層后，關節外杯初期滑移超過0.2 mm后才會有植入失敗[15]。盡管如此，為安全起見，建議將假體位移大于0.15 mm作為假體不安全的一個指標。此外，作為骨缺損修復用的多孔鉭假體，通常要求假體在體內工況下處于彈性變形范圍內，避免塑性變形。據此，假體在體內工況下所受應力需低于假體屈服強度。若假體無塑性變形，則假體所受應力應低于假體極限強度。因此，可以將假體所受應力大于屈服強度或破壞強度(無塑性變形情況)作為假體破壞的另一個指標。此外，當對假體的耐疲勞性有要求時，還需要按臨床要求或相關標準，如“外科植入物部分和全髖關節假體第四部分：帶柄股骨部件疲勞性能試驗和性能要求(YY/Y 0809.4-2018)”[18]，把假體的疲勞極限和耐疲勞次數作為假體力學安全性的指標。

多孔鉭假體在體內會與骨組織接觸，并將體重或運動產生的力傳遞給骨組織，使骨組織產生應變。在骨組織中，成骨細胞和破骨細胞是負責平衡骨吸收和骨生長的兩種重要細胞。這兩種類型的細胞都對力學刺激較為敏感，成骨細胞和破骨細胞通過感受力學刺激來調控骨的生長和吸收，其中成骨細胞誘導骨生長，而破骨細胞誘導骨吸收。根據FROST[19]的研究報道，當健康成人的皮質板骨組織承受低于1～2 MPa的應力(或應變低于50～100 με)時，骨組織會發生吸收，其剛度和骨密度下降，而當應力超過20～30 MPa(或應變超過1 000～1 500 με)時，骨組織會發生生長，骨強度增大，更進一步地，當骨組織的應力大于60 MPa(或應變超過3 000 με)時，骨組織則更容易受到損壞。COWIN[20]也總結，人體骨組織的生理應變范圍為400～3 000 με。這些研究結果提示，骨組織存在一個受力響應窗口或應變響應窗口，在此窗口以內，骨組織感受到的力學載荷或骨組織發生的應變可以有效刺激骨組織生長。因此，在假體設計時，應當保證假體植入后在體內工況條件下通過假體傳遞到患者骨組織的力學載荷或應變在此響應窗口內。但需要注意的是，在設置該窗口的上下限時需要考慮骨缺損部位和患者的個體特征如性別、年齡等。同一個體不同部位的骨組織，以及同一部位不同年齡個體的骨組織的模量和強度可能存在差異[21]?；颊呷睋p部位骨組織的力學性能如壓縮模量、屈服強度等很難直接獲得，可根據患者CT或X線片灰度值進行估算，也可從文獻報道中獲取。盡管人體生理應變范圍為400～3 000 με[20]，為安全起見，本課題組把骨組織應變為400～2 000 με時視為滿足骨組織受力有效性原則。

另一方面，通過假體傳遞到患者骨組織的力學載荷不能過高而損壞宿主骨，即假體還需滿足骨組織安全性原則。骨組織的力學性能與患者個體和組織部位有關。當通過假體傳遞到骨組織的最大應力不超過骨組織的最低強度或文獻報道最低值時可視為骨組織安全。如有研究測得健康成人的皮質板骨組織的屈服強度接近60 MPa；當骨組織承受的應力大于60 MPa(或應變超過3 000 με)時，骨組織容易受到損壞；當骨組織承受的應力大于120 MPa(或應變超過25 000 με)時，骨組織發生斷裂[19]。為安全起見，本課題組建議將骨組織的屈服強度作為骨組織破壞的閾值，即在體內工況條件下通過假體傳遞到骨組織的應力低于骨組織的屈服強度時可視為滿足骨組織安全性原則。

最后，鉭的高密度和高價格是影響多孔鉭假體臨床應用和推廣的重要因素。因此，本課題組建議還應從減少重量、降低成本的角度設計多孔鉭，但前提是不能違反“四性原則”。

綜上所述，3D打印個性化多孔鉭假體的設計需要同時考慮“四性原則”，即假體的解剖匹配性、假體安全性、骨組織受力有效性和骨組織安全性原則。設計工程師確定“假體安全性原則”“骨組織受力有效性原則”“骨組織安全性原則”下的具體指標，而“解剖匹配原則”下的具體指標由設計工程師和醫師共同確定。設計工程師根據確定的指標評估假體是否滿足“四性原則”。在滿足“四性原則”的基礎之上，醫師再結合手術方案從減輕假體重量，降低假體成本的角度選擇最合適的多孔鉭假體設計方案。本“四性原則”是在臨床假體設計過程中總結出來的，并在臨床應用中得到驗證，對保證個性化多孔鉭植入假體的安全性、有效性和經濟性有良好的指導意義。