北医三院刘忠军:3D打印内植物在骨科领域的应用



 由中国3D打印技术产业联盟和世界3D打印技术产业联盟、南方日报共同主办,佛山市,南海区,大沥镇三级政府支持的第五届世界3D打印技术产业大会于2018年6月17/18日在佛山大沥成功举行,来自国内外900多位代表出席大会,并就3D打印重新定义制造业这个主题展开热烈讨论。下面有请北京大学第三附属医院大外科主任刘忠军教授给大家做报告。

刘忠军:尊敬的各位嘉宾、各位朋友,和今天上午企业介绍的内容不一样,我从一个外科医生的角度介绍一下3D打印技术在骨科领域的应用。

我介绍一下3D打印内植物在骨科的应用。

目前3D打印技术在骨科应用大概几个方面,第一是做模型,这是比较简单的一块,无论解剖模型,还是病变模型,都可以用3D打印技术很容易打出来,来指导我们临床上的一些应用,比如打印出解剖模型做教学,甚至给医生做治疗参考。第二部分做导板,就是应用这个模型做一些相应的工具,在手术当中引导我们的医生能够更精准、更安全地做手术。这两块今天介绍主要内容,今天我主要介绍用金属钛合金材料所做的内植物在骨科领域的应用。

为什么要用3D打印内植物在骨科里面?由于内植物具有非常显著的优势,第一个优势,很好理解,3D打印可以打印出任何特异的形状,而我们人体的解剖结构特别是骨科解剖结构用于3D打印的优势,因为我们的解剖结构并不是规则形状,所以用3D打印出来的内植物更适合于我们的解剖。第二个优势,这个可能是各行各业不关注,但是在临床领域非常关注,这些内植物可以做成微孔形状,它在骨骼之间能够提供骨组织长肉的可能性,实现整合。目前在中国3D打印骨科应用到什么地步呢?目前有三项内植物已经成为产品正式应用于临床。例如髋关节髋臼杯。这个目前国内已经应用几千例,反馈回来的信息非常好。它的价格怎么样?和同类产品相比3D打印要更好一些。

还有3D打印的个体定制化。我们来看一个病例,这是12岁的男孩,得了第二颈椎的恶性肿瘤。针对这种肿瘤以往怎么治疗?把肿瘤切掉以后,在手术之前要给病人打一个外部固定架,病人要背负沉重的铁架几个月,而且在这个过程中也容易出现很多问题。我们能不能改进?首先我们做了一个和解剖贴合的人工椎体,然后用固定,这样它的强度是不是能够大大提高,我们就按照这个设想,研制出了第一个人工枢椎。在2014年7月份,我们成功地做了这个手术,把人工枢椎植入到病人体内,手术上是突破性的,当时这个人工枢椎的使用也获得国内外广泛关注,国内外七百多家媒体进行了相关报道,我们的相关论文也在国际权威杂志进行了发表。

在这之后,我们又做了第二例,也是一个年轻的女孩,也是得了这种肿瘤,切除之后的第二天她就可以像一个普通颈椎病患者一样下床。至今我们一共完成了8例,都获得很好的效果。今年3月份做的一例从病人复查情况就可以看到恢复得非常好,病人也非常高兴。以往一个难度很高、风险很大的手术用3D打印技术把它做到了几乎完美的完成,对病人来讲挽救了他的生命,在他深厚还有一个幸福的家庭。

刚才讲的是一个阶段的肿瘤切除,还有多节段的就更复杂,4个节段的脊椎肿瘤也可以用3D打印的内植物做肿瘤切除之后的替换。这些疾病病例没有3D打印技术之前医生可能面对它会感到束手无策,有了3D打印就给我们提供了这样一个非常好的技术,使这个疑难疾病得到很好的治疗。

还有上颈椎部位,可以告诉大家,像这样的病例在骨科领域是大家公认非常难的一个部位,它的手术非常复杂,因为这个地方的解剖结构非常多。但是有了3D打印技术以后,我们临床医生就可以做各种设计,来改进治疗。这是我们做的两例非常复杂疑难的病例,用3D打印技术做了很好的解决。

3D打印技术所制作的内植物有没有可能修复大跨度的骨缺损。这是40岁的男病人,他得了肿瘤在胸椎和腰椎,从第十胸椎到第二腰椎,结构都被肿瘤破坏了。目前全世界治疗这种疾病最有效的手段是把肿瘤彻底切除,然后把病人的脊柱做结构重建,这样只有才能挽救这个病人。五个节段都被侵犯,手术技术已经可以达到做彻底的切除,但是切除之后怎么办?可以说以往没有一个合适的技术来提供我们做这种肿瘤切除以后的结构重建。这个病人我们为他实行什么治疗呢?首先第一次手术先做后方脊柱结构做了完全切除,第二次首期椎体也做完全切除,但是这个手术本身而言也是我们中国医生的骄傲,这样的病例拿到全世界恐怕也没有第二个。把五节锥体做了完整切除以后,一个3D打印的人工椎体支撑到脊椎前方结构。3D打印我们可以做所需要的任何设计,我们在这个人工椎体上设置了4颗椎功根结构,用这个结构可以把前后方的内部定物紧密连接起来,这样一来强度就会大大增加。尽管这么大的手术切除,手术后怎么办?左边这个图就是整个病例实际情况,骨骼也是3D打印出来的,最后是这样一个重建结构。这个病人3个月就已经完全恢复到正常状态,6个月可以开车、骑车,11个月已经到南海去旅游了。可见,用3D打印这样一个技术可以把一个非常疑难的病例解决到让病人完全恢复到正常生活状态。前不久是这个病人手术以后两年来复查的情况,这个病例除了治疗效果以外,我们还关注什么?关注人工假体和两端骨的结合情况,结合得非常好。这样的病例目前为止我们已经完成了20例,五节段是比较罕见的,加上四个、三个、两个节段的一共有20例。

在四肢骨上,26岁的男性病人,右侧骨股由于骨折以后做了手术,很不幸手术之后感染形成骨髓炎,出现了大段的缺损。这个病人来到我们医院之前已经花了40万人民币,是一个伤口化脓感染骨髓炎状态。现时治疗都有哪些治疗?把这段有病的骨头切掉以后,用自体骨做填充,外部一个支架和简单固定,等这个骨慢慢结合,大家可以想这个时间有多长,或者用一个外部的固定架固定起来,等待骨骼自行慢慢长到一起,这个周期非常长,而且即便周期很长以后这个疗效也是不确定的。

目前对这样的疾病有了越来越多的治疗方式,我们国外同行也做了一些新尝试,包括也使用3D打印技术,但是他们的理念是什么?用3D打印做一个金属的网架,然后在这个网架填充上自体骨或者移体骨,支撑到两个骨的断端,让骨慢慢生长。虽然方式已经在以前基础上有了大大改善,但是整个周期还是非常长。

我们采用一个全新理念,把金属内植物植到病变缺损的两端,当然早期经过了一系列处理使感染完全得到控制以后才做了最后一步。把这个假体植到两端以后,我们没有放任何的组织,植到骨头断端以后的情况,手术以后几天可以下定活动了,前几天是手术后6个月来复查,这个病人手术以后2个月就可以回到工作岗位工作。

这个病例和刚才的类似,一个女病人外伤以后出现了骨缺损,我们采用相类似的技术也做了修复,这是手术后的情况,这个病人在我们完成手术之前有4年的时间是单腿跳着走,那一条腿完全不能用力,这是手术之后很早期病人已经开始柱拐下床走动了,这是一个根本性的变化。这是3D打印技术给我们提供的这样一个成果。

从我们临床实践情况来看,我们就有了一个进一步研究的思路。以往我们脊椎的骨和四肢的骨由于肿瘤、由于感染、由于外伤缺失以后,我们以往关键是什么?或者是用自体骨或者异体骨植到骨断端,等待它慢慢生长,改进的方式是用一些金属支架把它支撑到骨的断端,支架里面还是要填充骨头,等待这个骨慢慢生长。

我们新的思路是能不能不用这些周期这么长的手术,而且骨的来源本身也是一个很困难的问题,所以我们如果用这种3D打印的微孔金属假体做支撑,我们可以想一些方式让他早期得到非常好的固定。好处是病人早期就恢复功能,最终得到很好的骨与假体的整合。

实际上我们再进一步检查可以看到它的内部结构也是长得非常好,这是手术以后一个月和三个月拍摄X光片看到的情况。

临床上我们也拿到一个宝贵的标本,这个标本来自于北京大学人民院,他们是骨盆股肿瘤做手术以后复发取得出来的标本,提供了一个我们在人体上观察3D打印人工假体结合的图像。我们来观察假体和骨之间结合的情况,我们看到非常精密的结合。右边几个彩色图是硬组织切片,我们把人体组织和金属假体同时做切片,看看骨细胞能不能结合得很好,也看到结合得非常好。这几张图像也是外行人不一定能够看懂,可以告诉大家的是这几张图像里面,左上角是不做任何处理的3D打印人工假体和骨结合的情况,骨细胞可以明显长入到微孔里实现融合。如果我们加一些技术处理,中间的图是做酸蚀技术以后看到骨长得更好,右边的图是处理3D打印微孔的表面,不仅看到大量骨细胞长入,而且看到血管长入,如果表面做一些处理,会使这个骨长得更快更好。

我们看到的是,如果我们把微孔金属里边再加一些促进骨生长的因子,也可以使骨组织长得很好。加入一些新药物可以促进骨的整合。再有,如果我们把微孔假体作为一个载体的话,我们还可以把3D打印技术变成4D打印技术。什么是4D?加一些药物局部起到作用,让它增加功能。比如微孔里面加入了万古霉素(音),看到万古霉素(音)的可以起到很好的局部抗菌作用。按照这个思路我们还可以再继续研究,如果加入抗结核的药物可以抗结核,加入抗肿瘤的药物可以抗肿瘤,所以3D打印技术还有进一步的发展空间。

通过3D打印技术来修复各种原因的造成的骨缺损,即便大跨度的缺损,我们脊椎上的五节肿瘤切除的跨度达到19个厘米,都能得到很好的修复。再有从我们的实践和实验的研究来看,还可以设置成附带功能作用的假体,使它也成为植骨材料,当有骨缺损的时候都要放如自体骨或者异体骨,如果把金属假体也作为一种材料,也可以实现这种结合,这也是我们3D打印技术的未来发展趋势。

谢谢大家!

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