增材制造骨科植入型医疗器械的发展现状及应用

目的介绍国内外增材制造骨科医疗器械的发展及应用情况,并对基于增材制造技术的定制式骨科植入型医疗器械发展方向进行讨论,以期能为相关研究人员提供参考。方法结合增材制造技术在医疗器械领域的发展现状,简要说明其普遍存在的问题,并对增材制造技术的个性化骨科植入型医疗器械的发展方向进行讨论。结果增材制造是一种通过材料的逐层累加以实现零部件自由成型的加工生产工艺。近年来,增材制造技术因其可实现复杂结构等优势在医疗器械领域,尤其是骨科植入物方面得到了广泛应用,不仅为产品生产提供了一种新的加工工艺,也为医疗产业带来了便利。结论迄今为止,国内外已有多种基于增材制造技术的骨科医疗器械在临床上得到广泛应用,利用增材制造技术完成复杂的医疗器械结构的设计与制造,用于满足特殊需求的治疗案例也越来越多,基于增材制造技术的定制式骨科植入型医疗器械也逐步成为医学研究的热点之一。     

3D打印钛金属骨科植入物应用现状

3D打印技术近年来在骨科植入医疗器械领域发展迅速,由于其能够根据患者需求个性化地定制植入物形状,并且精确控制植入物的复杂微观结构,从而实现植入物外形和力学性能与人体自身骨的双重适配。生物医用钛及钛合金作为目前骨科植入物的主要原材料,具有优越的生物相容性,与3D打印技术结合,成为各国科学家以及医疗器械厂家研发的热点,促进3D打印钛金属骨科植入物的商业化。针对3D打印钛金属骨科植入物的特点、钛金属粉末要求、已上市产品情况、临床研究、存在的问题以及标准和审评规范等的现状与发展进行论述和展望。     

3D打印假体在人工关节置换中的应用

3D打印技术正在快速发展,在骨科临床中的应用也在日益增多。本文简要回顾了3D打印技术及在骨科中的应用,并侧重于以3D打印技术量产的人工关节假体。后者目前集中在用3D打印技术制造超多孔界面的植入物,并在人工髋臼杯中得到了较多的应用。随着以3D打印技术制造的人工关节植入量的增加,需要进一步研究以证实其与传统制造工艺相比的优越性以及中长临床效果。     

电子束熔融快速成型技术在骨科植入物修复过程中的骨诱导能力

背景：电子束熔融快速成型技术(EBM RP)是一种新型金属粉末快速成型技术,它具有精准、复杂成型的特点,已在航空航天、汽车和医疗植入器材等领域显示独特的应用优势。 目的：探索电子束熔融快速成型技术用于骨科植入物时表现出的产品性能、个性化定制能力,尤其是诱导骨长入能力。 方法：计算机检索Pubmed数据库、中国期刊全文数据库、知网数据库,手工检索《东方早报》《世界科学》《中国骨科杂志》,以及相关的中英文会议论文集。所有检索时间均截止至2013年9月。纳入标准：①应用电子束熔融快速成型技术的文章。②外科植入物相关文章。最后选择50篇文献进行分析。 结果与结论：EBM态Ti6Al4V骨科植入物具有良好的产品综合性能;电子束熔融快速成型技术具有优良的个性化定制能力,尤其是生成的3D连通的孔隙结构,可提供诱导骨长入的结构性条件,在骨科植入物方面享有独特的优势。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

仿骨小梁力学性能的多孔结构拓扑优化设计

目的基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义。方法基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计。根据骨功能原理提出分区、分块重建原则,利用Micro-CT图像重建动物骨小梁模型结构;根据代表体元法对模型施加边界约束和外载荷,以求解的力学性能作为优化的目标函数,利用拓扑优化中的变密度法和均匀化方法进行多孔结构设计及优化。结果骨小梁结构具有各向异性的力学特点。求解发现,松质骨的体积分数在同一截面的边缘到中间主压力位置呈现递增趋势;泊松比无明显变化规律,均匀分布在0. 17～0. 30之间;而弹性模量和剪切模量在松质骨主压力位置明显大于其他位置;基于上述结果进行拓扑优化设计,结果显示,优化后模型的泊松比分布在0. 17～0. 30,弹性模量误差在14%以下,最小的仅为3%,剪切模量误差范围在8%以下,基本符合最初的设计目标。结论利用拓扑优化方法设计的多孔结构具有与动物松质骨相同的各向异性特点,同时减少应力集中现象,可以实现特定性能的多孔结构设计,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种合理有效的方法。     

3D打印技术在创伤骨科中的应用进展

随着3D打印技术的不断发展,其在创伤骨科领域中的应用越来越广泛,几乎涵盖了人体所有的解剖区域。3D打印技术也被称为"增材制造技术"和"快速成形技术",被认为是"第二次工业革命"。3D打印技术不仅可以打印出患者特异性的解剖实体模型,便于医师对患者复杂的解剖结构及疾病有更好的理解,同时有助于医学教育和手术培训,而且对于一些特殊患者可以制造定制的植入导板及假体,匹配患者的解剖结构,有效解决临床治疗难题。本文就3D打印技术在创伤骨科中的应用进展进行综述。     

3D打印技术在儿童骨科的应用研究进展

目的 总结3D打印技术在儿童骨科的研究进展,为3D打印技术与儿童骨科更好地融合发展提供理论依据。方法 以“3D打印”“小儿骨科”“解剖模型”“畸形矫形”“骨肿瘤”和“three-dimensional printing”“pediatric orthopaedic”“anatomical mode”“deformity orthopaedic”“orthopaedic”“bone tumour”为中英文关键词分别在中国知网、万方数据、PubMed、Web of Science 等数据库检索2010年1月-2019年9月关于3D打印技术在儿童骨科应用研究的文献,对其进行归纳分析。结果 共检索到相关文献1 197篇,其中中文文献540篇、英文文献657篇,剔除重复性研究、内容不符、无法获取全文,以及3D打印技术应用于成年患者和颅颌外科领域相关的文献,最终纳入文献34篇。3D打印技术可以制造个体化解剖模型,模拟手术操作、设计手术方案;制造导航模板指引手术;制造个体化支架;在骨组织工程方面亦取得一定的进展。结论 3D打印技术快速、精准、个性化的特点,促进了骨科手术个性化、微创化的发展。3D打印技术将通过外科教育、术前规划、个体化定制手术材料(如植入物、假体和手术导板等)以及组织工程的应用来改善手术效果。     

文章导读

3D打印骨科模型是3D打印技术在医学领域应用较早、范围较广的一项技术。随着数字化技术和医疗科技的发展,3D打印技术越来越多地应用于骨科其他领域,如3D打印导板、3D打印内植入物等。本期专刊文章从3D打印骨科模型、3D打印手术导板、3D打印内植入物、3D打印教学应用等方面出发,探讨3D打印技术在骨科中的应用,以期为临床应用提供参考。     

3D打印在骨科疾病诊疗中的应用进展

近年来3D打印技术发展迅速,在医学领域的应用也越来越广泛,可在产品物理结构不发生改变的情况下进行个性化定制,达到材料与病变部位的匹配。3D打印技术在骨科诊疗中仍处于初级研究阶段,骨科患者通常因其解剖学位置的特殊性及治疗技术的繁琐性使得其治疗难度大大增加,将3D打印技术应用于骨科临床有助于骨科复杂手术的导航,降低手术难度,提高患者手术成功率及预后效果。本研究将对3D打印技术在临床骨科疾病诊疗中的应用进展进行阐述,并对3D打印技术在骨科的应用前景进行展望。     

基于SLM成形的下颌骨植入物固定板力学性能

目的 利用拓扑优化确定最优下颌骨植入物固定板的布局,并设计高承载能力的个性化下颌骨植入物固定板。 方法 以典型的下颌骨缺损模型为例,构建考虑骨骼和支架材料特性的下颌骨有限元模型。 对模型进行拓扑优化分析,设计个性化下颌骨植入物固定板。 通过模拟分析常规固定板系统与个性化固定板系统下颌骨、固定板、 螺钉的应力分布,评估个性化下颌骨植入物固定板的力学特性。 并结合 Gibson-Ashby 模型,设计弹性模量与皮质骨相当的多孔面心立方晶格结构假体,最终确定最终支架方案。 结果 通过安装个性化下颌骨植入物固定板,下颌骨、接骨板、螺钉的峰值应力分别 55. 86、291. 1、122. 53 MPa,分别比安装常规固定板降低 9. 8% 、32. 0% 和14. 6% 。 结合个性化下颌骨植入物固定板与多孔结构的设计方案,得到最优孔隙率为 71. 6% 的三维多孔支架模型。 结论 本研究设计的个性化下颌骨植入物固定板显著降低假体的峰值应力,提高支架的可靠性。 并且结合激光选区熔化(selective laser melting, SLM)技术,可以快速制造出性能优异的个性化假体,以满足紧迫的时间需求。     

Computer-Aided Tissue Engineering of a Human Vertebral Body

Tissue engineering is developing into a less speculative science involving the careful interplay of numerous design parameters and multidisciplinary professionals. Problem solving abilities and state of the art research tools are required to develop solutions for a wide variety of clinical issues. One area of particular interest is orthopedic biomechanics, a field that is responsible for the treatment of over 700,000 vertebral fractures in the United States alone last year. Engineers are currently lacking the technology and knowledge required to govern the subsistence of cells in vivo, let alone the knowledge to create a functional tissue replacement for a whole organ. Despite this, advances in computer-aided tissue engineering are continually growing. Using a combinatory approach to scaffold design, patient-specific implants may be constructed. Computer-aided design, optimization of geometry using voxel finite element models or other optimization routines, creation of a library of architectures with specific material properties, rapid prototyping, and determination of a defect site using imaging modalities highlight the current availability of design resources. This study proposes a novel methodology from start to finish which could, in the future, be used to design a tissue-engineered construct for the replacement of an entire vertebral body.     

Development trends of custom-made orthopedic implants

Concepts for selection of the metallic materials and design required for the fabrication of custom-made orthopedic implants (osteosynthetic materials and prosthetic joints) and examples of methods for assessing the mechanical compatibility of bone plates are given to aid understanding of the possibility of producing custom-made orthopedic implants. Depending on the clinical case, there are problems in relation to production cost owing to situations in which the shape of the bone is altered to accommodate the implant. Therefore, there is potential for the development of custom-made orthopedic implants that optimally suit the patient’s needs and bone structure, have practical uses, and are affordable.     

Biomedical coatings to improve the tissue-biomaterial interface

One of the most important factors determining the degree of tissue interaction of an implanted device is the property of its surface. Thus, great importance is given to chemical and morphological characteristics of biomaterial surfaces to improve biocompatibility, cell migration, proliferation and differentiation, mechanical stability and endogenous tissue ingrowth. In order to obtain new and healing stimulating properties, it is possible to apply a coating or more generally a surface treatment to the surface of a prosthetic device. One of the most versatile methods for coating is thermal spray technology. This paper considers the principle of thermal spray processes and their application in the biomedical field, namely the coatings used for orthopedic prostheses and dental implants. Among thermal spray processes, plasma spray as well as High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) processes will be particularly considered and their most important aspects will be illustrated.     

具有分区域梯度硬度结构的定制减压鞋垫设计

目的针对高弓足等有足底减压需求的人群,设计一种具有分区域梯度硬度的定制化鞋垫。方法设计一种功能梯度结构,应用于定制化鞋垫,使鞋垫不同区域具有梯度变换趋势的硬度特征。通过力学试验,研究结构单元参数和模量之间的关系。采集志愿者足部几何形状和足底压力分布数据,根据压力等高线对足底区域进行划分,以此组装结构单元。设计4种定制化鞋垫:普通平板鞋垫、优化平板鞋垫、普通全接触鞋垫、优化全接触鞋垫。通过熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)打印,再进行足底压力测试实验,验证分区域的优化设计。结果所设计的鞋垫可使高弓足测试者足部峰值压力在静态站立、步态状态下分别降低52.8%、18.43%。结论该方法可用于设计定制鞋垫,如针对糖尿病足、高弓足的功能鞋垫,提供更好的减压功能。研究结果为临床保守治疗有减压需求的足部疾病提供参考。     

镍钛形状记忆合金植入物在骨科的应用*

近年来,由镍钛形状记忆合金材料制成的骨科植入物种类越来越多,使用越来越广泛。其优异的形状记忆功能及低磁性、抗磨损、耐腐蚀、耐疲劳的特性使其在骨科植入物方面表现突出。由于其较好的组织相容性及弹性,可适应各种临床需要,也得到了广大医生的青睐。而镍钛形状记忆合金植入物产生影响的因素也是复杂多样的,这些因素对植入物在体内是否能发挥预期的作用至关重要。本文将对镍钛形状记忆合金植入物应用的研究现状及进展进行综述。     

3D打印技术在颌面整形外科的应用进展

近年来,3D打印技术已经被广泛地研究并应用于生物医学领域,该技术能够有效地改善整形外科手术方式。本研究基于3D打印技术在颌面整形外科的发展现状,主要对该技术在术前模拟、医学教育、临床应用及假体制作等方面的应用作一综述,归纳了该技术在不同情况下的应用特点、应用范围及其实际应用中的优势,总结了当前3D打印技术在临床应用的新方法,分析了当前该技术的主要困难及其发展方向,并对其发展趋势进行了展望。     

钛基牙种植体早期植入稳定性

钛(Ti)及其合金作为20世纪末兴起的种植体材料,具有高强度、低重量、生物相容性好等优势,随着种植体技术的快速发展以及临床上需求的不断增加,Ti种植体迅速且广泛的应用于骨科治疗之中,特别是针对牙缺损的修复。然而,由于骨整合速率缓慢、细菌感染以及过量活性氧累积等多种因素导致种植体早期植入稳定性差,致使植入人体后服役寿命短,成为限制牙种植体植入成功率的重要因素。因此,种植体的临床早期植入稳定性有待进一步提高。从影响临床早期植入稳定性的材料因素、生物因素以及其它因素等3个方面,综述国内外Ti基牙种植体的相关研究,以及提高临床早期植入稳定性的研究现状和发展动态,为牙种植体植入成功率的提高提供参考。