以前用于3D打印的主要是塑料等非金属材料

 新闻资讯     |      2019-04-26

  3月1日上午,2018年度北京市科学技术奖励大会在北京会议中心举行,北京大学第三医院刘忠军教授团队牵头研发的“3D打印钛合金骨科植入物的临床应用与关键技术研究”项目获得“2018年度北京市科学技术奖一等奖”。项目的完成单位北京大学第三医院、北京爱康宜诚医疗器材有限公司、北京大学从2010年起就开始深入合作,共同开发了基于金属3D打印(EBM)技术、具有完全独立自主知识产权、革新性理念与国际先进水平的钛合金金属骨小梁(TTM)系列骨科植入式医疗器械,并在多孔型金属骨植入材料、骨组织界面整合方面进行深入研究,同时着力推进我国3D打印医疗应用的全产业链发展

  3D打印技术是如何进入骨科领域的?3D打印钛合金骨科植入物在临床上有什么样的应用?给患者带来了哪些益处?十年磨一剑,对于3D打印技术的创新应用,项目带头人刘忠军教授又有哪些鲜为人知的经历和感悟?就上述问题,本报记者采访了刘忠军教授

  3D打印的概念起源于19世纪末,相关技术出现于20世纪90年代中期,到21世纪才得到真正意义的应用和推广。这种技术以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印与普通打印工作原理基本相同,只不过是通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的图形数据变成三维立体的实物。3D打印机被研制出来初期,常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造

  刘忠军说,他进入3D打印领域是偶然也是必然。作为一名医生,有责任不断改进对患者的治疗手段。1987年从北京医学院(现北京大学医学部)毕业后,刘忠军进入北京大学第三医院任骨科主治医师,后来到美国、英国、加拿大访学和研修,一直在骨科领域从事临床治疗和研究,1999年至今担任骨科主任及脊柱外科研究所所长。国外访学和研修的经历使他清醒地认识到国内外的差距,了解到国外医生都在想什么和做什么。这些经历给了他不少启发,还激励他时刻思考自己的目标和方向

  据刘忠军介绍,以前用于3D打印的主要是塑料等非金属材料,2008年前后,能打印金属的设备出现了。初期主要是工业上的应用,比如在航空航天领域可以打印一些特殊形状的零部件。由于钛合金与人体高度相容,在医学领域尤其骨科已经应用多年,而骨科的专业特点与3D打印的技术特点吻合度也较高。因此从2009年开始,北京大学第三医院将3D打印技术引入骨科领域,早期主要是制作一些模型和教具等。线D打印钛合金骨科植入物的契机出现在2010年。之前北医三院与北京爱康宜诚医疗器材有限公司就已经有长期的合作,爱康医疗主要生产人工关节产品,国产化符合中国人解剖结构的人工关节。2010年,在骨科几位医生的建议下,爱康医疗引进了一台瑞典专利的钛合金3D打印设备。公司工作人员与医生接触,打算从关节外科开始,探讨合作的可能性。“我们骨科多年致力于脊柱肿瘤的治疗,其间遇到了一些麻烦,比如要想彻底切除肿瘤,就不可避免地要切除一段脊柱,而怎样修复脊柱就成了一个急需解决的问题。国际通用的办法是用钛网支撑(即在一段钛合金网笼中填充一些碎骨,用以代替原来的椎体),但是术后与钛网相邻的椎体容易出现塌陷,椎间高度难以维持,给患者带来极大痛苦。而且这种方法术后恢复时间长,最短3个月,长的通常一年甚至几年。因此,怎样改进脊柱植入物,使得术后早期就能很好地固定,并且尽快完成骨骼结构重建成了脊柱外科的强烈需求。”刘忠军介绍说

  爱康医疗引进的这台3D打印设备引起了刘忠军的注意,他敏锐地感觉到3D打印钛合金骨科植入物可以解决他长期关注的问题。于是他邀请工程师来医院作讲座,给医生们讲解3D打印工艺。“只要计算机设计出模型,就能通过3D打印机打印出来。这正好解决了骨科植入物形状特异的需要。”刘忠军顺手拿起模型进一步解释道,“比如人体的寰枢椎形状很不规则,传统工艺难以做出特殊形状的结构,使得植入物与相邻椎体只能部分贴合,牢固性大打折扣。而3D打印可以形成形态各异、个性化的植入物。”更让刘忠军振奋的是,3D打印人工椎体具有一个特殊优势:“3D打印钛合金椎体可以设计成像海绵一样的微孔结构,类似人类骨骼中的骨小梁,这样,相邻正常椎体的骨细胞就可以长入其中,最终实现二者的融合,牢固性大大增强。”

  北医三院骨科与爱康医疗很快达成共识,骨科医生与公司的工程技术人员一起组成科研小组,合作研发3D打印钛合金骨科植入物。科研小组建立了每月的例会制度,一直坚持至今,召开了60多次例会

  刘忠军拿起一个髋关节臼杯模型介绍说:“大约2010年,国外最早做出的3D打印内植物就是髋臼杯。而我们是髋臼杯、人工颈椎椎体和椎间融合器同时起步进行研究。” 从2010年开始,刘忠军带领团队进行了十几项用于脊柱外科的3D打印植入物研究。刘忠军说,动物实验结果令人满意,将3D打印人工椎体植入羊的颈椎后,从影像学检查及硬组织切片中都观察到骨融合情况良好,生物力学测试显示,人工椎体的力学稳定性能也随植入时间延长而逐渐增强。通过生物安全性测试后,经国家食品药品监督总局批准,3D打印骨科植入物从2012年开始进入临床观察阶段。“2015年7月,3D打印人工髋臼杯获得国家食品药品监督总局注册批准。2016年5月,3D打印人工颈椎椎体和椎间融合器获得国家食品药品监督总局注册批准。至此,我们研制的3个产品都拿到了注册证。”刘忠军自豪地说

  据了解,3D打印人工髋关节产品是我国首个获得国家食品药品监督总局注册的3D打印人体植入物。这一成果实现了高端髋关节植入物的国产化,生产技术达到国际先进水平。而3D打印人工椎体是全球首发金属3D打印人体植入物,已经达到国际领先水平

  除了上述标准化产品的研制,刘忠军特别给记者介绍了3D打印个体定制人工椎体的临床应用情况。虽然目前国家还没有出台个体定制化医疗器械的相关法规,在临床应用时可能面临着医疗纠纷,但刘忠军说:“个体定制人工椎体是一些疑难病例患者的强烈需求,我们只能与病人商量,在病人认可的情况下使用。至今整个过程都还比较顺利,这项突破对临床治疗意义重大。”世界首例应用3D打印人工定制枢椎治疗寰枢椎恶性肿瘤的手术就由刘忠军主刀完成。谈起这个手术,刘忠军仍然记忆犹新。2014年,12岁的小患者明浩被诊断患有尤文氏肉瘤,癌变部位位于枢椎,病情凶险。经过7月18日、31日两次手术,明浩被恶性肿瘤侵蚀的枢椎全部清除干净,刘忠军将3D打印的钛合金人工定制枢椎放在了寰椎和第三椎体之间并用钛合金螺钉固定,手术顺利完成。8月18日,小明浩自己迈出了北医三院的大门。如今,北医三院已完成十几例3D打印人工定制枢椎的植入手术

  刘忠军说,有了创新的3D打印钛合金骨科植入物,结合创新的手术方案,可实现疾病治疗的精准化、个体化,一方面使以往难以治疗的疑难疾病获得有效治疗,另一方面使很多常见疾病的疗效显著提高。他提起一个特殊的罕见病例——2016年,恶性脊索瘤患者袁先生到北医三院就诊,当时肿瘤已经侵蚀了他的5节脊椎,包括3节胸椎和2节腰椎。这种情况,除了通过手术把肿瘤切除干净别无他法。但病变部位切除后,修复大跨度骨缺损是个大难题。在以前,面对这样的疑难病患者,医生只能说:“很遗憾,我们还没有办法治疗。”但是有了3D打印技术后,医生就不再对此束手无策了。针对袁先生的情况,刘忠军团队依照患者自身椎体的解剖结构,定制出一枚3D打印微孔钛合金人工椎体假体。这个世界首个3D打印多节段胸腰椎植入物,在袁先生的脊柱上完成了长达19厘米的大跨度支撑,以替代被彻底切除的5节椎体。“我们还利用金属3D打印人工椎体在结构上可以任意设计的便利,专门在人工椎体假体上设计了4个椎弓根,将其与脊柱后方内固定结构连接,这种前后连成一体的装置使脊柱的稳定性大大增强,使得患者在术后早期就可以下床活动。”刘忠军举着袁先生人工椎体的模型解释道。患者袁先生术后一个月就可以佩戴腰围下地行走,术后2个月不佩戴任何支具自由活动,术后4个月可以开车、骑车,回归正常生活,术后11个月便外出旅游。手术后3个月,影像学检查显示,假体两端周围有较多的骨组织包绕。随着时间延长,假体周围骨包绕的征象越来越明显,效果十分理想

  具有自主知识产权的骨科3D打印植入产品进入规模化生产和应用后,将推动我国3D打印医疗应用的全产业链发展,打破国外对高端医疗器械的垄断,降低患者的医疗支出,开辟中国骨科3D打印植入假体临床应用的新纪元

  作为北医三院大外科主任和第十一届、十二届、十三届全国人大代表,刘忠军时刻记着自己肩负的使命和社会责任。怎样解除患者的病痛、减轻患者的经济负担,使患者真正从科技创新中受惠,这是刘忠军经常考虑的问题。他认为,只有自主创新才是我们的出路。在医学上,创新要围绕疾病的治疗,解决临床中的实际问题。而3D打印技术确实是一个好技术,3D打印钛合金内植物比起传统治疗手段来说效果确实要好得多

  刘忠军说,这次获奖的项目是产学研结合、多学科交叉融合的典范,不但对学科发展起到了非常大的促进作用,也带动了相关企业发展。以前我国的医疗器械以进口为主,特别是复杂和高端的产品,而国产医疗器械主要是仿制的低端产品。从赶超的角度来说难度很大,但3D打印技术给我们提供了一个契机,这是中国医疗器械产业弯道超车的好机会。比如3D打印人工椎体这项专利,目前已经出口到一些“一带一路”国家。从价格上来说,作为最先进的创新产品,其价格与传统产品持平,有的甚至更低。我们的3D打印髋臼杯价格是国外同类产品的1/3。至今,全国已有上万例髋关节置换手术用到了3D打印髋臼杯。这对于提高中国企业在相关领域的竞争力具有重要意义

  谈到3D打印技术在医学上的应用前景,刘忠军非常乐观。“人体有206块骨头,都可能用到3D打印技术。”在他看来,3D打印技术对解决伤病造成的巨大骨缺损问题至少有两方面的优势:一是可以个体化定制骨缺损修复重建术中的内植物;二是内植物可以加工成微孔结构以供骨组织长入,使内植物与相邻骨骼实现有效融合,这在骨科疾病治疗中至关重要

  据刘忠军介绍,传统的骨缺损修复一直沿用的方法是骨组织移植并最终通过相邻宿主骨与移植骨连接,然后逐渐替代移植骨而最终完成骨修复和整合;或者使用近年研发的“人工骨”(多为羟基磷灰石、硫酸钙等材料)。传统治疗手段的缺点是对于巨大骨缺损,修复过程长达数月甚至数年,并且植入物的即刻稳定性差,致使患者在漫长的骨修复期间丧失正常生活和工作的能力。此外,用以作为骨修复材料的骨组织来源有限且存在弊端,如采用自体取骨会对患者造成新的创伤,采用异体骨则有疾病传染之虑,采用人工骨的疗效存疑等

  刘忠军团队借助3D打印技术的优势,采用个体定制3D打印微孔钛合金假体进行骨缺损修复手术,疗效显著。因右股骨骨折并出现术后感染,患者李先生的股骨中段形成长达11厘米的骨缺损。北医三院的骨科专家首先为李先生施行清创并行骨膜诱导手术,而后把一枚定制化3D打印微孔钛合金假体植入其股骨缺损区,并用髓内钉将其进行固定。术后4天患者即可下地行走,术后2个月回归正常工作

  超过5厘米,甚至10厘米以上的脊椎或四肢骨缺损也能采用3D打印钛合金微孔内植物进行直接有效修复,较之传统治疗方法,3D打印植入物治疗巨大骨缺损,其临床实用价值及理论指导价值均具有划时代意义

  刘忠军说,“3D打印技术的意义远不止如此”,今后,他们还要在多孔金属材料与骨组织界面的整合方面进行深入研究,例如在金属表面做一些处理,在微孔里加一些药物,以促进骨组织生长,使内植物和相邻骨骼快速融合。“我们还要研究3D打印假体+治疗功能的模式,比如让微孔载药,以抗骨质疏松、抗肿瘤、抗结核等等。”

  对于记者“在临床、科研、管理、指导学生等诸多事务中如何应对”的问题,刘忠军的答案是:全力以赴

  北大校报记者张宁(右一)和英文网记者张疆(左一)、蒙欣(左二)与刘忠军教授合影

  我是索邦大学法国文学博士马莎莎,850年的巴黎圣母院被烧掉了什么,问吧



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