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腿部畸形只能截肢?3D打印说“不”

(2019-01-15 19:47:06)
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杂谈

在18岁以前,她只能用单脚跳着走路。而她的另一条腿,由于多发性脂肪瘤的影响,也可能保不住了。


她的左腿看起来很不乐观:从大腿根直到脚趾都有弯曲和扭转,而且骨关节之间的关系异常,膝盖只能伸直到90度。膝盖朝前时,本应同样朝前的足部却朝身体的外侧扭转了60多度。

腿部畸形只能截肢?3D打印说“不”


对此,医生的回答无一例外:截肢


还要继续寻找方法保住这条腿吗?辗转多家医院的女孩和母亲,最终在上海交通大学附属第九人民医院看到了希望。当时接诊的戴剋荣教授说:“病人腿部的异常被肌肉和皮肤包裹覆盖,我们所能做的非常有限。一开始我也没有把握。”


面对当年难度最高、最复杂的外科手术,戴剋荣教授决定试一试3D打印技术。借助医学影像检查提供的数据,将数据导入到3D打印机器后,戴教授用3D打印技术打印出了畸形的腿骨模型

腿部畸形只能截肢?3D打印说“不”

3D打印腿骨模型 | 智造将来


由于去掉了皮肤、筋膜和肌肉的遮挡,病人大腿到脚趾的各种畸形全部显现出来。在这个腿骨的模型上,戴教授和他的团队讨论了各种矫治畸形的角度和固定方法,为病人“量身订制”了一套手术方案:将腿骨截成多段,再用记忆钛合金一段一段的拼接。


终于,“麻花”一样的下肢恢复了常态,可以站立,行走,上下楼梯,甚至骑车和游泳。


3D打印技术是个啥


其实,在这个案例中帮上大忙的3D打印,早已不是什么新鲜的东西了。距离第一台商用3D打印机的诞生,也已经过去了30多年。


从最早的光固化技术开始,3D打印的核心理念就是将材料一层层堆叠,最终把物体的数字建模文件转化为真实存在的产品。这种技术极大地变革了人类的制造业,将人们从铣床这种相对传统的机器中解放出来,无需切割和挖空金属和塑料等,就能得到想要的任一形状的产品。

腿部畸形只能截肢?3D打印说“不”

制作出埃菲尔铁塔模型的液体3D打印技术登上了《科学》杂志封面 | Science


更令人惊叹的是,如今的3D打印不再只是堆叠技术和塑料材料,各种挑战想象力的黑科技层出不穷。比如,你可以直接从液体里拉出一个模型,也能制作出比头发丝还小的蚀刻,当然打印玻璃和金属物体也不在话下。

腿部畸形只能截肢?3D打印说“不”

麻省理工学院的研究人员通过凝胶材料和逆转已有技术,成功将3D打印物体缩小到原尺寸的千分之一 | Ed Boyden


随着这些技术的飞速发展,3D打印也顺势进入医疗领域,并大放异彩。例如,在21世纪初,3D打印的牙科植入物和假肢已经得到应用。对于一些牙齿、颅面和脊柱所需的小型植入物,尺寸较小且多为小批量生产,相比于向厂家专门订购的传统方式,利用3D打印生产这些医疗器械能够大大缩减成本。而且,3D打印技术只需要花几个小时就能制作出这些产品,极大地缩短了病人在就诊的等待时间[1]。


此外,由于能够利用患者的影像学成像数据制造与其相匹配的医疗设备,和能生产出具有多孔结构与内部支撑结构等复杂植入物的两大特点。3D打印也有望为骨科的设备制造带来变革。目前,利用3D打印技术可以制造出三种骨科手术可用的零部件:


金属植入物:如胫骨基座(一种用于膝关节的假体)和多孔、形状复杂的人工椎体;

由聚合材料构成的器械:骨科手术中患者专用的夹具;

用于肿瘤和颅颌面外科等复杂手术的定制聚合材料和金属植入物[2]。

腿部畸形只能截肢?3D打印说“不”

3D打印耳软骨 | 3D Printing Industry


突破器械局限,助力精准医疗


2016年6月12日,北医三院完成了世界首个3D打印人工椎体植入术。接受手术的是一名脊索瘤患者。患者的胸椎和腰椎受到了肿瘤的侵犯,通过手术切除干净肿瘤后,还需再进行椎体重建。以往重建的方式是用钛网作为植入物进行支撑。


可是,患者癌症侵犯广泛,需要切除掉五节脊椎。钛网能够支撑如此大的跨度吗?如果一旦移位,压迫脊髓,患者就会瘫痪。而且圆柱状的钛网与生理曲线呈“S”形的脊柱并不匹配。


好在3D打印技术已经相对成熟,医生打印出了与患者自身椎体形态相似的金属人工椎体。人工椎体不仅结构更稳定,而且由于被制作成像海绵一样的微孔结构,相邻正常椎体的骨细胞能够长入其中,最终相邻的正常椎体和人工椎体融为一体,实现了骨整合[3]。


就在世界首例人工椎体植入术成功不久后,3D打印技术在医疗方面又有了新的进展。一篇发表在《科学转化医学》杂志的论文称:一种名为“超弹性骨(HB)”的新合成材料可能将再次为3D打印技术在骨科中带来突破[4]。

腿部畸形只能截肢?3D打印说“不”

超弹性骨 | Adam Jakus


研究人员研制的超弹性骨能够作为支持新骨生长的支撑结构,也可以完全替代丢失的骨质。比起传统的材料,超弹性骨更加灵活。由超弹性骨制成的植入物能够让医生在术中进行诸如切割、滚动、折叠和缝合的操作,这样可以使其紧密贴合缺损或术中需要填补缺损的部位[5]。虽然该研究尚未在人体中进行过测试,但早期的动物实验已经取得较大的成功,这样的结果已经非常令人震惊了。


无数个可能


随着更多技术的发展,3D打印技术已经全面进军医疗领域,其应用范围也在迅速扩大。为了解决器官供体短缺的问题,研究人员还致力于用3D打印技术打印组织和器官。关于这一领域的研究仍处于起步阶段[1],但是戴教授认为,生物3D打印组织和器官是最受大家期待的。因为从应用价值上看,它有非常大的潜力。


“当我们使用生物3D打印技术配合其它研究成果,能够打印出骨骼、关节、肝脏、肾脏、角膜乃至心脏时,就能解开再生医学发展中的一个缺乏供体的死结(缺乏供体),这将会是特别震撼人心的光辉前景。”


参考文献:


1. Ventola, C. L. (2014). Medical applications for 3D printing: current and projected uses. Pharmacy and Therapeutics, 39(10), 704.

2. Can 3D Printing Revolutionize Orthopaedic Devices?|AAOS

https://aaos.org/AAOSNow/2018/Jan/Cover/cover01/?ssopc=1

3.世界首个3D打印人工椎体植入手术在北大第三医院获得成功|北京大学新闻网http://news.pku.edu.cn/xwzh/2016-06/15/content_294103.htm

4. 3D-printed 'hyperelastic bone' could be the future of reconstructive surgery|The Verge

https://www.theverge.com/2016/9/28/13094642/hyperelastic-bone-graft-substance-unveiled

5. Jakus, A. E., Rutz, A. L., Jordan, S. W., Kannan, A., Mitchell, S. M., Yun, C., ... & Galiano, R. D. (2016). Hyperelastic “bone”: A highly versatile, growth factor–free, osteoregenerative, scalable, and surgically friendly biomaterial. Science translational medicine, 8(358), 358ra127-358ra127.



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果壳

ID:Guokr42

果壳整天都在科普些啥啊!

吓得我二维码都歪了!


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