摘要：介紹國內外增材制造骨科醫療器械的發展及應用情況，并對基于增材制造技術的定制式骨科植入型醫療器械發展方向進行討論，以期能為相關研究人員提供參考。結合增材制造技術在醫療器械領域的發展現狀，簡要說明其普遍存在的問題，并對增材制造技術的個性化骨科植入型醫療器械的發展方向進行討論。增材制造是一種通過材料的逐層累加以實現零部件自由成型的加工生產工藝。近年來，增材制造技術因其可實現復雜結構等優勢在醫療器械領域，尤其是骨科植入物方面得到了廣泛應用，不僅為產品生產提供了一種新的醫療器械創新網，也為醫療產業帶來了便利。結論 迄今為止，國內外已有多種基于增材制造技術的骨科醫療器械在臨床上得到廣泛應用，利用增材制造技術完成復雜的醫療器械結構的設計與制造，用于滿足特殊需求的治療案例也越來越多，基于增材制造技術的定制式骨科植入型醫療器械也逐步成為醫學研究的熱點之一。
一前言
增材制造是一種通過材料的逐層累加以實現零部件自由成型的加工生產工藝。隨著增材制造技術的日趨成熟，其在食品、藥品、建筑、生物工程、醫療器械等領域的應用越來越廣泛。增材制造技術的應用研究不僅被科技部作為十三五的重點工作之一，其在骨科植入型醫療器械的應用發展也獲得了我國醫療器械監管機構的高度重視。
增材制造技術具有加工成本低、時間短等諸多優勢，增材制造通過粉末狀原材料的逐層累加實現原材料的重復利用，最大程度的減少消耗，因此生產成本降低；增材制造技術可解決不規則形狀產品機加工困難、加工耗時等問題，例如常規的技術手段很難實現骨科植入物表面的微孔結構，而增材制造技術可利用計算機輔助設計，打印不規則多孔結構，還可根據實際情況對多孔結構進行修改調整，實現利于骨組織的長入和融合，且與自然骨的力學強度接近的結構，從而達到抗拉力強，耐沖擊強度大的目的。增材制造技術的另一優勢是形狀結構個性化程度高，可實現產品個性化設計。如用于精準的輔助術前診斷、術前規劃和模擬手術等的骨模型，實現個性化手術的匹配、提高手術精準度的個性化手術導向模板，為達到更好治療效果而依據患者的特定需求生產的個性化骨科植入物。
目前，國際和國內已有多種基于增材制造技術的標準化骨科植入物在臨床上應用，大量的臨床結果驗證了該類產品的臨床效果，使得增材制造技術在個性化骨科植入物領域的應用得到了臨床醫生的廣泛關注。企業及臨床機構開始致力于研究符合人體生理解剖學特征或更好的發揮力學作用的植入物設計，以滿足不同患者個性化的需求，在提高醫療水平，豐富醫療手段方面起到了重要的促進作用，囿于技術發展水平，產品數量及上市準入要求等種種因素，為保證產品的安全有效，用于骨科植入型醫療器械的增材制造技術還有待提高，個性化骨科植入物的應用目前還處于研究發展階段。
本文簡要介紹了國內外增材制造骨科醫療器械的發展及應用情況，包括標準化骨科醫療器械和個性化骨科植入物的應用。結合增材制造技術在醫療器械領域的發展現狀，簡要說明其普遍存在的問題，并對增材制造技術的個性化骨科植入型醫療器械的發展方向進行討論，以期為相關人員提供建議和啟示，促進我國基于增材制造技術的醫療器械的創新發展。
二增材制造骨科產品發展及其應用簡介
2.1 增材制造骨科標準化產品及其應用
增材制造技術的應用之一是在植入物表面或基體上實現多孔結構的設計，主要應用于脊柱類和關節類骨科植入物。
我國已有增材制造的標準化骨科植入物產品獲得國家食品藥品監督管理總局（NMPA）的批準。如北京大學第三醫院和北京愛康宜誠醫療器材有限公司合作研發的金屬增材制造人工髖臼杯和人工椎體，該團隊在研究過程中還開展了相關動物實驗，在動物體內進行自穩定椎間融合器植入的研究，結果表明電子束打印的椎間融合器具有良好的修復效果。另外，在增材制造技術研究方面，同濟醫學院附屬普愛醫院研究開發的增材制造鈦合金骨小梁金屬臼杯，在初次全髖關節置換術的始穩定性、早期骨長入、短期療效方面取得了良好的效果。
美國食品藥品管理局（FDA）也有基于增材制造標準化的椎體融合器、髖臼杯等產品經批準上市。其中，4WEB公司是國外首家增材制造脊柱植入物得到FDA上市許可的公司，該公司的脊柱桁架系統包括約150種結構設計，可用于包括PLIF（后路椎體間融合術）和TLIF（經椎間孔入路腰椎體間融合術）等多種脊柱手術中。其他設計開發椎間融合器的產品還包括K2M公司的CASCADIA Cervical植入物和CASCADIA AN Lordotic Oblique（前突斜）植入物、Joimax公司生產的內鏡腰椎椎間融合器（EndoLIF ?On-Cage植入物）、Stryker公司生產的增材制造鈦PL后路腰椎間融合器、Renovis Surgical Technologies公司生產的多孔鈦頸椎椎間融合系統（Tesera SC）等。Lima Corporate公司的DELTA TT TM 髖臼杯、Zimmer Biomet公司的踝關節融合器等也采用了增材制造技術。
2.2 增材制造定制式植入物及其應用
增材制造技術因其可實現產品個性化生產，使得行業內逐漸形成了定制式醫療器械的概念。需根據患者特點定制的產品種類有很多，如增材制造的矯形用產品替代傳統的骨折用石膏板，用于治療脊柱側彎的矯形器，用量較大的定制式義齒，以及定制化的骨科植入物、助聽器等，都需要匹配患者個性化的需求而特殊設計的。其中，定制化骨科植入物風險相對較高，其原材料、產品設計、性能評價等方面面臨著更大的挑戰，相對于標準化植入物產品其優勢在于根據醫生的需求實現植入物快速、準確的設計，更好的匹配患者生理解剖結構，因此也具有較大的應用價值。
2.2.1 國外定制式骨科植入物的應用現狀
在顱頜面骨修復手術中，因顱頜面特殊解剖結構，常常需要醫生對植入物在手術過程中進行預彎或剪裁，某種程度上影響了產品的部分性能，利用增材制造技術就可以避免手術過程中對產品的二次加工。BioArchitects公司增材制造定制化鈦金屬顱面植入物可實現與受損區域精確匹配，對創傷性和腫瘤性顱骨缺損進行有效的修補；巴西坎皮納斯州立大學Jardini等使用激光選區熔融技術（SLM）打印的純鈦多孔顱骨板，實現了顱骨大面積修復；韓國中央大學醫院Lee等利用電子束增材制造設計下頜骨，解決了下頜缺陷導致面部塌陷方面問題；日本東京大學Kanno等使用增材制造技術和逆向工程完成下頜面骨的重建；荷蘭格羅寧根大學Schepers 等根據病人下頜缺損定制的解剖模型，重建出與缺損匹配的牙科下頜結構，并利用固定導板實現精確定位，他們還將定制化植入物與非定制化植入體進行對比，對植入物進行了9.4個月的隨訪，結果表明定制化的下頜板更能維持缺損位置的結構性和功能性要求。
脊柱類植入物多利用增材制造技術實現微結構的設計同時匹配患者的解剖結構，達到促進骨融合的目的。有研究對增材制造多孔融合器的結構和力學性能等方面進行評價，認為多孔結構能夠減小楊氏模量，可降低應力屏蔽，實現椎體融合。南非斯坦陵布什大學Beer等提出了椎間盤植入物應與上下終版匹配的需求，制定椎間盤植入物的設計方法，其加工尺寸精度達到0.37 mm，高精度匹配安裝縮短脊柱外科手術時間；芬蘭華沙理工大學Janusz等也提出了快速成型制造人工椎間盤，該研究嘗試設計并使用熔融沉積技術（FDM）和選擇性激光燒結（SLS）兩種增材制造技術來加工不同參數的人工椎間盤，建立設計定制式人工椎間盤的方法，如圖1所示。
?圖1? 人工椎間盤[29]
除顱骨缺損這類非承重部位的結構，對于承重部位特殊結構骨缺損的治療也可使用增材制造工藝加工結構復雜的骨修復假體。法國維爾茨堡朱利葉斯馬克西米利安大學Rudert等根據髖關節的不同缺損程度打印出全髖關節，并進行髖關節置換手術；德國Citak等使用增材制造技術打印的髖關節假體，解決大范圍髖臼缺損以及與雙側盆骨不連續的難題，根據CT數據重建出模型，并進行術前模擬，手術過程中使假體安裝更加穩定；印度Verma等重建了大面積髂骨骨缺損，根據逆向工程方法設計了定制式假體，用于髂骨缺損部位固定，假體的植入不僅實現了缺損部位的穩定固定，也保證了肌肉功能完好，如圖2所示。比利時圣奧古斯丁醫院Stuyst等面對C型遠端股骨骨折大量粉碎的難題，使用定制式假體進行修補，手術后C型遠端股骨骨折達到即刻穩定，恢復髕骨結構和生物力學功能；定制式植入假體用于骨缺損，為該類手術帶來了方便，也促進了定制式醫療器械的研究發展。根據掃描數據重建模型雖然已使定制式的產品設計盡可能準確，但是對植入后的使用情況仍存在疑義，尤其針對大缺損翻修型定制式假體精準定位仍未探明。
圖2? 髂骨假體[32]
2.2.2 國內定制化骨科植入物的應用現狀
定制化增材制造人體植入物在國內醫療機構的醫療器械創新網相當多。在顱頜面缺損重建、胸骨固定、椎體替代以及四肢骨缺損等需個性化匹配患者需求的臨床應用方面取得了很好的成果。
北京大學口腔醫院Shan等利用金屬增材制造鈦網解決上下頜面三級和四級缺損；山東省立醫院口腔醫院增材制造多孔上頜面板，成功為19歲患者解決面部膨脹畸形的問題，通過術前模擬腫瘤切除方案及修補重建，提高頜骨重建精確度，并縮短了手術時間，在手術過程中使得假體能夠很好的貼合到缺損面，達到修補、美觀等效果。西安唐都醫院增材制造定制化胸骨，解決傳統制造胸壁工藝復雜、固定不穩定以及功能喪失等問題，切除腫瘤骨，完成世界首例鈦合金胸骨板置換，假體如圖3所示。
??圖3? 胸骨假體[38]
南方醫科大學珠江醫院骨科中心成功完成國內首例通過增材制造椎體模型和術中導板導航技術矯正馬凡氏綜合征脊柱側彎患者的手術；北京大學第三醫院脊索瘤利用金屬增材制造技術，依照患者的解剖結構，制造與腫瘤椎體形態、長度相仿的人工椎體，將其放到切除病變后的相鄰椎體之間，能起到可靠連接和支撐功能；清華長庚醫院完成骶1-2骨巨細胞瘤根治手術，該手術精準化定位整塊切除高位骶骨腫瘤，并植入增材制造個體化適型假體重建脊柱骨盆穩定性，保住患者下肢及二便功能。上海交通大學Chen等[39]研究骨盆腫瘤切除手術，通過逆向工程重建出腫瘤骨盆，在軟件上切除腫瘤部分，并設計出滿足病人需求的盆骨假體，術前在體外進行各方向的術前測量和安裝模擬，精確評價手術過程中，避免在復雜操作位置人為的失誤，在手術過程中能夠更加精準的完成骨盆假體的固定，保證手術的有效性。華西醫院利用增材制造技術完成膝關節脛骨干金屬骨小梁假體重建，術后達到預期效果，解決橈骨遠端腫瘤性骨缺損問題。
三總結與展望
國內外增材制造技術在骨科植入型醫療器械領域的逐漸滲透，為骨科植入物產品設計和生產工藝提供了新的選擇，為其發展開辟了新的篇章。
目前基于增材制造技術的標準化骨科植入型醫療器械已然在市場上得到了應用推廣，增材制造以特有的優勢為骨科植入物打開了非常寬廣的應用前景，解決了許多傳統機加工實現起來復雜的問題。但采用增材制造技術的骨科植入物的臨床應用范圍還有一定局限，例如基于增材制造技術的骨科植入物的產品力學性能能否滿足臨床需求，能否替代同類傳統機加工產品等，使得可利用增材制造技術的產品種類有限。因此，增材制造骨科植入物相關產品結構設計、原材料、設備、打印參數等工藝的研究和確認還有待深入。
增材制造技術在個性化骨科植入型醫療器械領域的應用日益突出，根據患者的特殊需求，使得臨床治療效果有所改善。近年來，由個性化引出的定制式醫療器械概念在醫療器械行業被廣泛提及。美國FDA、歐盟等國家或地區已有相關法規用于定制式醫療器械的監管，而我國關于定制式醫療器械的法規建設及監管制度還有待完善。以骨科植入物為例，與標準化骨科植入物相比，定制式骨科植入物數量少，終產品無法用于破壞性試驗的相關性能驗證，為滿足患者需求，植入物的設計過程不僅需結合醫生的要求制定設計方案，利用增材制造技術生產的還應滿足合理的制備條件，產品需經過力學強度、結構精度等性能驗證，同時還需結合豐富的臨床經驗和對產品的認知，才能保證定制式骨科植入物產品的安全有效性，降低產品使用風險，因此對產品全生命周期中各階段的過程，建立相關管理規范就顯得尤為重要。
為促進增材制造技術更好的在醫療器械行業的發展，基于增材制造技術的定制式骨科植入物可更好的滿足個性化的特殊需求，一方面，應快速建立基于增材制造的醫療器械相關標準，建立保證產品安全有效性的基礎技術準則，引導生產企業更好的研究創新；另一方面，對于增材制造技術使得定制式醫療器械的應用越來越多，我國還需加快定制式醫療器械法規及相關技術指導文件的建立，應不斷探索、不斷推進增材制造技術在醫療器械領域的應用研究。增材制造技術的新突破和新成就還需先進的醫療器械引領企業、醫生及監管部門的共同協作和努力，從而共同推動定制式醫療器械更好的發展。
【文章來源】生物骨科材料與臨床研究
