耗時100多天、反復(fù)研究1000多個設(shè)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(shè)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(zhǔn)、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(xué)南方醫(yī)院脊柱骨科進行相關(guān)檢查后診斷為:骨巨細(xì)胞瘤合并動脈瘤樣骨囊腫,相應(yīng)層面椎管狹窄,壓迫脊髓,導(dǎo)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(yán)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(xué)南方醫(yī)院脊柱骨科副主任醫(yī)師鄭明輝介紹,骨巨細(xì)胞瘤是一種侵襲性腫瘤,又稱破骨細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)評估患者病情,手術(shù)指證明確,經(jīng)病例討論后一致認(rèn)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(fù)研究1000多方案
“患者是2月份過來就診的,為了達(dá)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(xué)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)。考慮到每一個病人的脊椎形狀都存在差異,骨科專家認(rèn)為用一個現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)植入物不大可能匹配病人的生理參數(shù)。醫(yī)學(xué)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(zhǔn)的3D圖像。根據(jù)這個圖像,治療團隊就能夠設(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)計二十余種承受荷載的框架結(jié)構(gòu),數(shù)十種骨小梁拓?fù)浣Y(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(dá)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?fù)浣Y(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(zhǔn)的、個性化的人工脊椎,患者康復(fù)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(fēng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)、原始椎體、75%孔隙率的人工椎體。
一切準(zhǔn)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(shè)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(dá)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(shè)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(wù)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(dá)1億元的建模服務(wù),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(biāo)志著中國的3D打印植入物技術(shù)在骨科醫(yī)療領(lǐng)域達(dá)到世界先進水平。
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