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首例3D打印仿生人工椎体术在穗成功实施

时间:2018-07-02 09:40 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:

耗时100多天、反复研究1000多个设计方案,华钛三维与南方医院专家研制出广东首个3D打印仿生人工椎体,并成功植入骨肿瘤患者切除术后的患者体内。小编28日从南方医院获悉,该项研究成果目前已经向国家申请三项发明专利。随着这项技术的推广,以后骨科手术可根据病人的病变部位切除重建的需要,设计个性化的重建椎体,植入体内,缺哪块就可以补哪块,缺什么形状的就能补什么样的,手术更加精准、方便。

肿瘤长在胸骨里男子疼痛坐卧不安

35岁的男性患者黄某,是潮阳区一名渔民,5个月前双下肢不明原因出现疼痛、麻木、无力等症状,且症状逐渐加重,仅能缓慢行走。在南方医科大学南方医院脊柱骨科进行相关检查后诊断为:骨巨细胞瘤合并动脉瘤样骨囊肿,相应层面椎管狭窄,压迫脊髓,导致胸12椎体及其附件骨质破坏。病人因脊椎肿瘤压迫神经,疼痛剧烈,生活质量严重下降。

患者黄生的脊柱3D模型(左为肿瘤侵犯的原有脊柱,右为切除了病变椎体时的情况)

南方医科大学南方医院脊柱骨科副主任医师郑明辉介绍,骨巨细胞瘤是一种侵袭性肿瘤,又称破骨细胞瘤。其在我国的发病率仅次于骨软骨瘤和骨肉瘤,居骨肿瘤的第三位;绝大多数骨巨细胞瘤患者在20-40岁之间,而动脉瘤样骨囊肿又称良性骨动脉瘤,具有侵袭性的骨病损。

“像黄某这样,骨巨细胞瘤合并动脉瘤样骨囊肿很少见。”南方医院脊柱骨科副主任瞿东滨表示,经过集合全科及相关科室力量,详细评估患者病情,手术指证明确,经病例讨论后一致认为可在全麻下,为他做全椎体切除、椎体置换术。

瞿东滨教授演示人工仿生椎体骨小梁的结构模型,这一仿生人工椎体的孔隙结构是人骨相同的十二面体,受力更均匀

然而,选择手术方案时,专家们犯了难。如果采用前路胸12椎体切除、钉板螺钉内固定方案,对他后方脊椎的结构破坏很大;如果选择前路胸12椎体切除,后路椎弓根螺钉内固定,手术的创伤会非常大;而用一个现有脊柱内固定产品,也无法匹配病人的生理参数,且易出现内植入物下沉,继而出现钉板系统断裂的可能。

为了解决上述难题,治疗团队决定根据患者的情况,为他特制一个人工椎体。

100多个日夜反复研究1000多方案

“患者是2月份过来就诊的,为了达到最好的治疗效果,我们没有急于给他手术。”南方医科大学南方医院脊柱骨科副主任医师郑明辉表示。为了更好的完成手术,陈建庭主任、郑明辉副主任医师等骨科专家与华钛三维的3D打印专家从2017年10月份开始筹备该手术。考虑到每一个病人的脊椎形状都存在差异,骨科专家认为用一个现成的标准植入物不大可能匹配病人的生理参数。医学专家和3D打印专家根据病人脊柱的CT扫描数据,为病人的脊柱建立了精准的3D图像。根据这个图像,治疗团队就能够设计并定制出属于病人的个性化植入物。为了使个性化定制的人工椎体与病人椎体之间更好的融合,手术实施前治疗团队先后设计了100多个方案,制作了数十个植入物的术前模型进行研讨。

郑明辉医生表示,因外伤、肿瘤等因素导致的骨、关节损害,为治疗所建立骨支架必须借助弧型板、螺丝钉、人造骨及关节等,而这些植入物要长期留置于人体内,会受到人体的弯曲、扭转、挤压、肌肉收缩力等作用,所以要求植入物具有高的强度和韧性,研究与临床实例证明,在人体受力小的部位可以用纯钛,在人体受力大的部位可以用Ti-6Al-4V合金,完全可以满足人体植入物的要求。为了使个性化定制的人工椎体与病人椎体之间更好的融合,研究团队设计二十余种承受荷载的框架结构,数十种骨小梁拓扑结构,圆柱形、肾形、笑脸型、香蕉型等十余种外形及大小,组合达到上千种。经过100多天、数百次修改、模拟、再修改,确定了一体化结构、上下匹配结构及左右铆合结构三种最要框架结构结构;8面体、12面体、14面体三种骨小梁拓扑结构。

3D打印的钛合金仿生人工椎体,植入黄先生体内的就是这样的人工椎体,上面由螺钉与脊柱固定

利用3D打印技术生产出来的人工椎体是完全按照患者的解剖结构完成脊椎结构重建及固定的,装上一枚精准的、个性化的人工脊椎,患者康复后完全可以正常地生活和工作。过去这种手术常常是使用钛网内填入自体或异体碎骨作为椎体间支撑材料,但钛网一旦移位压迫脊髓,患者就会有瘫痪的风险。

最后,经过测试筛选,结合该患者为单节段椎体破坏,并且位于胸12(胸腰段),治疗团队选择了一体化结构、12面体骨小梁拓扑结构、原始椎体、75%孔隙率的人工椎体。

一切准备就绪,黄某在等待了三个月后,第二次住院,手术中,骨科瞿东滨、朱青安、郑明辉等手术团队专家,耗费7个多小时,将患者长了肿瘤的胸12椎体360度无死角全切除,后放入了浸透了医生智慧、设计团队汗水的人工椎体植入,手术取得圆满成功,患者术后3天便可自由下地活动,获得理想的治疗效果。

该3D打印仿生人工椎体、间盘一体化植入物已拥有自主知识产权,达到国际领先水平。郑明辉表示,通过3D打印仿生人工椎体的设计,团队摸索了一套优化流程,目前可以将从患者获取病变椎体参数开始到最后个性化3D打印仿生人工椎体完工控制在2周左右。这为我国的科技创新事业写下浓厚的一笔。

附:广州华钛三维材料制造有限公司是广州市增城区根据自身发展的人才战略和经济发展战略而引进的第一个院士创业高新技术产业化项目,坐落于由国务院侨办和广州市增城开发区共建的华侨华人创业基地—侨梦苑梦工厂。它是由“中国MBA十大精英人物”、“广东省十大杰出职业经理人”、伦敦帝国理工MBA朱献文携手澳大利亚技术科学与工程院院士联合创办,得到了广州市增城区政府基金—南粤基金天使投资,并获政府创业领军团队资助,联合国际水平的骨科专家组成的3D打印应用机构。华钛三维与一流骨科专家共建了“广州华钛三维骨科研究院”,重点研发相关骨科手术工具和植入物(人工关节、创伤、肿瘤钛合金植入物),形成了“科工医”结合的产品研发平台。为推进3D打印医疗应用的发展,华钛三维骨科研究院正为全国骨科医生提供公益支持,计划3年内免费提供科研用总价值达1亿元的建模服务,术前模型制作,3D打印个性化钛合金植入物打印,以及联合申报国家/省/市科研项目等合作。

华钛三维与南方医院脊柱骨外科在2018年2月7日,成功实施世界第一例3D打印个性化“人工椎体/椎间盘一体化“植入手术,不仅保住了病人的脊椎,还保住了其日后的活动能力。这次手术的成功,标志着中国的3D打印植入物技术在骨科医疗领域达到世界先进水平。

(责任编辑:中国3D打印机网)