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更好用的人工关节?3D 打印带来新思路

来源:荣格     发布时间:2022-01-26
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关节类医疗器械增长迅速

基于我国庞大的人口基数、社会老龄化进程加速和医疗需求不断上涨,我国骨科植入医疗器械市场的销售收入由2015年的164亿元增长至2019年的308亿元,复合增长率达17.03%,高于全球市场整体的增长速度。米内网、标点信息预计到2024年我国骨科植入医疗器械市场规模在607亿元左右,未来5年的复合增长率在14.51%左右。

国内骨科植入医疗器械市场一般可分为创伤类、脊柱类、关节类及其他。在各细分领域中,关节类植入医疗器械增速最快。


2015-2019年,关节类植入医疗器械市场的销售收入由40亿元增长至86亿元,复合增长率为20.65%。关节类相关产品的生产技术门槛高,价格贵,国内市场的开发还尚未成熟,市场份额相对较小,增速最快。根据标点信息的研究报告,预计到2024年我国关节类植入器械市场规模在187亿元左右,未来5年的复合增长率16.87%左右。其中,膝关节和髋关节占据了整个关节市场的95%份额。

关节类植入物有了新的材料创新平台

尽管世界各地数以百万计的人享受着髋关节和膝关节置换手术带来的新的行动能力,但许多人没有意识到,自上世纪60年代以来,这种植入物所用的材料基本上没有变化。

钛材料最初是为火箭和美国太空计划而设计的,它坚固、耐腐蚀、重量轻,但它并不特别适合人体骨骼和组织,常常导致植入物最终失败。

《今日材料》(materials Today)杂志发表的一篇论文指出,3D打印技术正在迅速改变材料的设计方式,使生物医学、航空航天等行业的材料开发能够更好地满足社会需求。

在机械与材料工程学院Amit Bandyopadhyay教授的领导下,研究人员为工业界和学术界使用3D打印(也被称为“增材制造”)设计新合金(由两种或两种以上金属元素组成的材料)提供了路线图。

Bandyopadhyay说:“有了3D打印技术,我们可以重新设计这些合金用于特定的用途,这就是它的魅力所在。在未来十年,我们将会看到使用3D打印技术设计出各种新型合金。这不仅仅是一个塑造形象的平台。它也是一个为特定应用创建新组合的平台。”

以髋关节和膝关节植入物为例,研究人员多年来一直在添加涂层,试图提高兼容性。与此同时,当细菌找到一个很好的生长位置时,髋关节和膝关节置换手术常常不得不应对植入物感染。

Bandyopadhyay认为也许重新设计一种兼容性更好或耐细菌的合金是个好主意。

在过去,由于成本问题,行业一直不愿重新设计材料。

“使用增材制造或3D打印技术,您可以根据自己的需求定制结构,不仅可以使用化学或成分控制,还可以在有限的成本、时间和较小的制造足迹下实现所需的功能。”该论文的合著者、机械与材料工程学院教授Susmita Bose说。

在这项工作中,研究人员概述了3D打印带来的挑战。在开发新材料时,研究人员需要对产品开发的目标有一个很好的理解。

这个技术平台给你提供了太多你可以做的事情。你可以加载16个不同的元素,开始制作作品,然后得到100万个不同的作品。第一个挑战是知道你真正想要的是什么。研究人员还强调,找到一种成功的合金配方,也意味着它必须在常规生产过程中进行测试,以确保每次都能一致生产。此外,新合金还需要通过监管审查程序。

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3D打印创新实践

2021年,上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科主任医师、上海市医学3D打印创新研究中心主任郝永强教授团队在国际上首次提出髋臼周围骨盆复杂缺损的分型系统,并创新性采用3D打印个性化一体化翻修假体设计及制备,提出“一步法”手术设计及功能重建,实现了翻修重建假体即刻及长期的稳定,极大提高临床疗效。相关临床研究成果在《骨科转化杂志》上发表。

人工全髋关节置换术(tha)在业界被称为20世纪最成功的外科手术之一,但因假体植入后松动、感染、假体周围骨溶解及骨折、假体脱位等,往往容易导致置换关节失败,不可避免地需要进行二次或多次假体翻修手术。

绝大多数髋关节翻修患者均伴有髋臼周围大小不一、形态复杂的骨盆复杂缺损,尤其是相当一部分患者还存在缺损范围巨大、缺损结构复杂甚至伴有骨盆环中断、分离、丧失力学传导及支撑。长期以来,运用标准的髋臼杯、加强环、填充块及骨水泥等传统翻修手段无法完成或勉强翻修,术后疗效不理想或很快再次失败,导致患者髋关节功能明显受限,生活质量显著下降。

基于此,郝永强团队针对“骨盆复杂缺损功能重建”这一世界性难题,提出个性化、一体化翻修的创新理念,首次提出了髋关节周围骨盆复杂缺损的分型系统,并基于分型构建了3D打印个性化一体化翻修术前诊断、手术规划、假体设计、手术模拟、精准安装、疗效评价的综合诊疗体系。通过多年临床应用、疗效评估及随访,所有患者髋关节功能harris评分(一种髋关节评分)显著提高,术后假体位置三维立体评价证实安装准确。


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▲患者未佩戴(左)和佩戴(右)新型矫形支具负重位下肢全长X线片


针对膝骨关节炎的物理治疗方式中最常用的是佩戴膝关节矫形支具。早中期膝骨关节炎患者通过佩戴合适的膝关节矫形支具可以延缓甚至抑制关节的退变或增生,延后手术治疗的时间,甚至可以避免手术治疗。

膝骨关节炎的支具矫治是一个长期过程,对于膝骨关节炎患者,短期佩戴膝关节矫形支具可以减轻关节疼痛,长期佩戴可以达到矫正患肢力线、永久改变关节间室间隙的目的。因此,矫形支具治疗是手术之前很长一段时间最重要的治疗手段。

九院3D打印中心王金武教授团队将3D打印技术运用在了膝关节矫形支具的设计制造中,研发了新型个性化3D打印单侧减荷式膝关节支具,在个性化治疗的同时还减轻了矫形支具的重量,大幅度提升了患者佩戴矫形支具时的舒适度。

患者佩戴矫形器行走,并通过步态实验对佩戴支具前后的步态数据进行测算、分析。实验数据结果初步证明,受试者佩戴膝关节内侧减压矫形器后,支撑相后期(膝关节承重的重要周期)膝关节外翻角增大,膝关节内侧力线向外侧转移,膝关节内侧压力降低。


本文根据第一财经、贤集网、3D科学谷、上观新闻整理  



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