首例3D打印仿生人工椎體術(shù)在穗成功實施

耗時100多天、反復研究1000多個設計方案，華鈦三維與南方醫(yī)院專家研制出廣東首個3D打印仿生人工椎體，并成功植入骨腫瘤患者切除術(shù)后的患者體內(nèi)。小編28日從南方醫(yī)院獲悉，該項研究成果目前已經(jīng)向國家申請三項發(fā)明專利。隨著這項技術(shù)的推廣，以后骨科手術(shù)可根據(jù)病人的病變部位切除重建的需要，設計個性化的重建椎體，植入體內(nèi)，缺哪塊就可以補哪塊，缺什么形狀的就能補什么樣的，手術(shù)更加精準、方便。

腫瘤長在胸骨里男子疼痛坐臥不安

35歲的男性患者黃某，是潮陽區(qū)一名漁民，5個月前雙下肢不明原因出現(xiàn)疼痛、麻木、無力等癥狀，且癥狀逐漸加重，僅能緩慢行走。在南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院脊柱骨科進行相關(guān)檢查后診斷為：骨巨細胞瘤合并動脈瘤樣骨囊腫，相應層面椎管狹窄，壓迫脊髓，導致胸12椎體及其附件骨質(zhì)破壞。病人因脊椎腫瘤壓迫神經(jīng)，疼痛劇烈，生活質(zhì)量嚴重下降。

患者黃生的脊柱3D模型(左為腫瘤侵犯的原有脊柱，右為切除了病變椎體時的情況)

南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院脊柱骨科副主任醫(yī)師鄭明輝介紹，骨巨細胞瘤是一種侵襲性腫瘤，又稱破骨細胞瘤。其在我國的發(fā)病率僅次于骨軟骨瘤和骨肉瘤，居骨腫瘤的第三位;絕大多數(shù)骨巨細胞瘤患者在20-40歲之間，而動脈瘤樣骨囊腫又稱良性骨動脈瘤，具有侵襲性的骨病損。

“像黃某這樣，骨巨細胞瘤合并動脈瘤樣骨囊腫很少見。”南方醫(yī)院脊柱骨科副主任瞿東濱表示，經(jīng)過集合全科及相關(guān)科室力量，詳細評估患者病情，手術(shù)指證明確，經(jīng)病例討論后一致認為可在全麻下，為他做全椎體切除、椎體置換術(shù)。

瞿東濱教授演示人工仿生椎體骨小梁的結(jié)構(gòu)模型，這一仿生人工椎體的孔隙結(jié)構(gòu)是人骨相同的十二面體，受力更均勻

然而，選擇手術(shù)方案時，專家們犯了難。如果采用前路胸12椎體切除、釘板螺釘內(nèi)固定方案，對他后方脊椎的結(jié)構(gòu)破壞很大;如果選擇前路胸12椎體切除，后路椎弓根螺釘內(nèi)固定，手術(shù)的創(chuàng)傷會非常大;而用一個現(xiàn)有脊柱內(nèi)固定產(chǎn)品，也無法匹配病人的生理參數(shù)，且易出現(xiàn)內(nèi)植入物下沉，繼而出現(xiàn)釘板系統(tǒng)斷裂的可能。

為了解決上述難題，治療團隊決定根據(jù)患者的情況，為他特制一個人工椎體。

100多個日夜反復研究1000多方案

“患者是2月份過來就診的，為了達到最好的治療效果，我們沒有急于給他手術(shù)。”南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院脊柱骨科副主任醫(yī)師鄭明輝表示。為了更好的完成手術(shù)，陳建庭主任、鄭明輝副主任醫(yī)師等骨科專家與華鈦三維的3D打印專家從2017年10月份開始籌備該手術(shù)?？紤]到每一個病人的脊椎形狀都存在差異，骨科專家認為用一個現(xiàn)成的標準植入物不大可能匹配病人的生理參數(shù)。醫(yī)學專家和3D打印專家根據(jù)病人脊柱的CT掃描數(shù)據(jù)，為病人的脊柱建立了精準的3D圖像。根據(jù)這個圖像，治療團隊就能夠設計并定制出屬于病人的個性化植入物。為了使個性化定制的人工椎體與病人椎體之間更好的融合，手術(shù)實施前治療團隊先后設計了100多個方案，制作了數(shù)十個植入物的術(shù)前模型進行研討。

鄭明輝醫(yī)生表示，因外傷、腫瘤等因素導致的骨、關(guān)節(jié)損害，為治療所建立骨支架必須借助弧型板、螺絲釘、人造骨及關(guān)節(jié)等，而這些植入物要長期留置于人體內(nèi)，會受到人體的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓、肌肉收縮力等作用，所以要求植入物具有高的強度和韌性，研究與臨床實例證明，在人體受力小的部位可以用純鈦，在人體受力大的部位可以用Ti-6Al-4V合金，完全可以滿足人體植入物的要求。為了使個性化定制的人工椎體與病人椎體之間更好的融合，研究團隊設計二十余種承受荷載的框架結(jié)構(gòu)，數(shù)十種骨小梁拓撲結(jié)構(gòu)，圓柱形、腎形、笑臉型、香蕉型等十余種外形及大小，組合達到上千種。經(jīng)過100多天、數(shù)百次修改、模擬、再修改，確定了一體化結(jié)構(gòu)、上下匹配結(jié)構(gòu)及左右鉚合結(jié)構(gòu)三種最要框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu);8面體、12面體、14面體三種骨小梁拓撲結(jié)構(gòu)。

3D打印的鈦合金仿生人工椎體，植入黃先生體內(nèi)的就是這樣的人工椎體，上面由螺釘與脊柱固定

利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出來的人工椎體是完全按照患者的解剖結(jié)構(gòu)完成脊椎結(jié)構(gòu)重建及固定的，裝上一枚精準的、個性化的人工脊椎，患者康復后完全可以正常地生活和工作。過去這種手術(shù)常常是使用鈦網(wǎng)內(nèi)填入自體或異體碎骨作為椎體間支撐材料，但鈦網(wǎng)一旦移位壓迫脊髓，患者就會有癱瘓的風險。

最后，經(jīng)過測試篩選，結(jié)合該患者為單節(jié)段椎體破壞，并且位于胸12(胸腰段)，治療團隊選擇了一體化結(jié)構(gòu)、12面體骨小梁拓撲結(jié)構(gòu)、原始椎體、75%孔隙率的人工椎體。

一切準備就緒，黃某在等待了三個月后，第二次住院，手術(shù)中，骨科瞿東濱、朱青安、鄭明輝等手術(shù)團隊專家，耗費7個多小時，將患者長了腫瘤的胸12椎體360度無死角全切除，后放入了浸透了醫(yī)生智慧、設計團隊汗水的人工椎體植入，手術(shù)取得圓滿成功，患者術(shù)后3天便可自由下地活動，獲得理想的治療效果。

該3D打印仿生人工椎體、間盤一體化植入物已擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，達到國際領(lǐng)先水平。鄭明輝表示，通過3D打印仿生人工椎體的設計，團隊摸索了一套優(yōu)化流程，目前可以將從患者獲取病變椎體參數(shù)開始到最后個性化3D打印仿生人工椎體完工控制在2周左右。這為我國的科技創(chuàng)新事業(yè)寫下濃厚的一筆。

附：廣州華鈦三維材料制造有限公司是廣州市增城區(qū)根據(jù)自身發(fā)展的人才戰(zhàn)略和經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略而引進的第一個院士創(chuàng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目，坐落于由國務院僑辦和廣州市增城開發(fā)區(qū)共建的華僑華人創(chuàng)業(yè)基地—僑夢苑夢工廠。它是由“中國MBA十大精英人物”、“廣東省十大杰出職業(yè)經(jīng)理人”、倫敦帝國理工MBA朱獻文攜手澳大利亞技術(shù)科學與工程院院士聯(lián)合創(chuàng)辦，得到了廣州市增城區(qū)政府基金—南粵基金天使投資，并獲政府創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍團隊資助，聯(lián)合國際水平的骨科專家組成的3D打印應用機構(gòu)。華鈦三維與一流骨科專家共建了“廣州華鈦三維骨科研究院”，重點研發(fā)相關(guān)骨科手術(shù)工具和植入物(人工關(guān)節(jié)、創(chuàng)傷、腫瘤鈦合金植入物)，形成了“科工醫(yī)”結(jié)合的產(chǎn)品研發(fā)平臺。為推進3D打印醫(yī)療應用的發(fā)展，華鈦三維骨科研究院正為全國骨科醫(yī)生提供公益支持，計劃3年內(nèi)免費提供科研用總價值達1億元的建模服務，術(shù)前模型制作，3D打印個性化鈦合金植入物打印，以及聯(lián)合申報國家/省/市科研項目等合作。

華鈦三維與南方醫(yī)院脊柱骨外科在2018年2月7日，成功實施世界第一例3D打印個性化“人工椎體/椎間盤一體化“植入手術(shù)，不僅保住了病人的脊椎，還保住了其日后的活動能力。這次手術(shù)的成功，標志著中國的3D打印植入物技術(shù)在骨科醫(yī)療領(lǐng)域達到世界先進水平。

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