編者按：本文來自微信公眾號“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3） 作者：靖哥，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

3D打印在骨科的領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷的加速中。從頭到腳，3D打印的骨科器械已經(jīng)應(yīng)用在了顱骨、頜面、頸椎、肩關(guān)節(jié)、胸椎、肋骨、腰椎、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳趾骨以及人體各處的長骨的骨板及修復(fù)。

一口氣讀完這些3D打印的骨科應(yīng)用，字里行間分明可以看到：

市場留給傳統(tǒng)工藝骨科植入體的時間已經(jīng)不多了…
  
3D打印在骨科醫(yī)療植入體中的應(yīng)用

世界上沒有兩片完全相同的葉子，人體也沒有兩塊一樣的骨骼；
不同的葉子滿足不同植物的需要，不同的骨骼滿足不同人的需要。

從頭到腳，成年人有206塊骨骼。這些骨骼支撐著我們的身軀，是我們?nèi)粘＝】颠\動的基礎(chǔ)，也是健美形態(tài)的基礎(chǔ)。只是骨骼也會受傷。
骨骼的受傷可能會是突發(fā)性的，比如：

圖1 踝關(guān)節(jié)骨折

也可能是由于各種疾病引起的，或者長期的使用，從而產(chǎn)生的自然磨損退化，如老年退化、肥胖加速或者過度鍛煉產(chǎn)生的關(guān)節(jié)炎：

圖2 膝關(guān)節(jié)炎（來源：VeritasHealth）

還有“現(xiàn)代科技病”。在當(dāng)前移動互聯(lián)時代，汽車代步時代，從上班到下班，從地鐵到汽車都在加速耗損著脊椎。

圖3 不同的低頭角度對于頸椎所施加的壓力 （來源：Tech-neck Final）

骨骼損傷修復(fù)

骨骼具有自愈能力，但其自愈能力是有限的。
在沒有骨缺失的情況下：輕度的骨折，在外固定的作用下即可愈合；嚴重的骨折在鋼板、鋼釘?shù)墓潭ㄏ乱部梢杂?。對于軟骨等在成年后已?jīng)不可再生的骨組織，損傷后的自體愈合，在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)下尚未實現(xiàn)。有效的治療方式往往需要通過植入人工軟骨，如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)的植入體替換。對于由于腫瘤等病變導(dǎo)致的大量骨組織切除，使用植入體取代缺失的骨骼，也是常規(guī)的骨修復(fù)的操作。
理想的修復(fù)是恢復(fù)骨骼的力學(xué)功能及生理功能，傳統(tǒng)工藝的植入體一定程度上恢復(fù)了其力學(xué)功能，3D打印的植入體能夠更大程度的恢復(fù)其力學(xué)功能和部分生理功能。

骨科植入體的趨勢—3D打印化

人不是從一個模子里面印出來的；所以和人體最優(yōu)的匹配也不會是從一個模子里面造出來的。當(dāng)然，在沒有達到最優(yōu)時，我們會理性的選擇妥協(xié)。人類在發(fā)展歷史，就是在妥協(xié)中不斷的前進；骨科的植入體遵循同一規(guī)則。
傳統(tǒng)工藝制造的骨科植入體，已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域服務(wù)了有半個世紀之久，也幫助千萬患者擺脫喪失行動能力的厄運。受限于模具，傳統(tǒng)的器械不能實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，也不能經(jīng)濟的實現(xiàn)患者匹配式的生產(chǎn)。
當(dāng)數(shù)字化、無模具的3D打印生產(chǎn)方式被應(yīng)用在骨科時，其性能可根據(jù)需求進行數(shù)字化的設(shè)計，通過外形和多孔結(jié)構(gòu)等設(shè)計，實現(xiàn)生物力學(xué)、骨長入、形態(tài)匹配這些優(yōu)勢，因而在醫(yī)療領(lǐng)域得到了迅速的認可、接受及推廣。

3D打印的骨科器械可以分為間接成形和直接成形。

1. 間接成形
間接成形中3D打印過程所用的材料并不是最終植入體所用的材料。在該項工藝中，以位于美國波士頓區(qū)域的Conformis為例。其流程為：

患者的數(shù)據(jù)—> 匹配型植入體模型——>3D打印蠟?zāi)ぁ?gt;鑄造金屬植入體——>后處理

圖4 膝關(guān)節(jié)植入體間接成形流程示意圖（來源：1，Conformis）

該類產(chǎn)品特點為形狀實現(xiàn)患者匹配，限制是無法實現(xiàn)力學(xué)的優(yōu)化。間接生產(chǎn)的一個必要環(huán)節(jié)是鑄造工藝，而鑄造工藝尚無法實現(xiàn)制造復(fù)雜、微細的多孔結(jié)構(gòu)，因而產(chǎn)品均為實體結(jié)構(gòu)。

2.  直接成形
直接成形中3D打印過程所用的材料也是最終植入體所用的材料。這類生產(chǎn)方式主要依托于金屬粉床熔融成形，也包括少量基于材料擠出成型的產(chǎn)品（如PEEK）。
在金屬粉床熔融成形的工藝中，可以進一步的細分為激光熔融（SLM）和電子束熔融（EBM）。電子束成形和激光成形各有其優(yōu)勢，因而在其應(yīng)用上只有更好的匹配。

EBM適合制造實體的、較大尺寸的產(chǎn)品，對于高溫材料的成形具有更大的優(yōu)勢。電子束具有更高的成形速度，且成形過程會進行粉層的預(yù)熱，因而成形過程中熱應(yīng)力較小，適合加工尺寸較大的器件。電子槍容易達到高功率，能夠有效的加工高溫合金（如鎢合金等）；加工醫(yī)用常用材料鈦合金也是足夠的。如2016年2月份，F(xiàn)DA審批通過了世界首個3D打印患者匹配的顱骨補片就是用EBM的工藝制作的；意大利的醫(yī)療器械公司也用EBM技術(shù)通過CE認證了全球首款3D打印的骨科植入體器械，是一款基于鈦合金材料的髖臼杯。當(dāng)前，中國國內(nèi)審批通過的產(chǎn)品也是基于EBM技術(shù)。

圖5 世界首個患者匹配式3D打?。‥BM）的鈦合金顱骨植入體（來源：BioArchitects）

SLM適合制造精度要求高、有精細桿徑設(shè)計、多孔類的結(jié)構(gòu)。SLM成形工藝中激光的光斑更小，能夠達到更小的粉末層厚，因而能夠生成精細度要求更高的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。因為成形中不需要對粉末進行預(yù)熱操作，SLM成形件具有更好的粉末殘留清除的表現(xiàn)，也為成形產(chǎn)品從設(shè)計到成形的力學(xué)匹配提供更強的應(yīng)用基礎(chǔ)。對于尺寸較大的零件，在加工后通過熱處理可以有效的去除熱應(yīng)力，而且能夠增加產(chǎn)品的強度。當(dāng)前SLM工藝被成熟的應(yīng)用在鈦合金、鈷鉻合金等常用骨科材料的加工。在應(yīng)用方面，對于具有多孔結(jié)構(gòu)需求的器械上有更大的性能優(yōu)勢，當(dāng)前在國際領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用于脊椎、髖關(guān)節(jié)領(lǐng)域的植入體。尤其以脊椎類產(chǎn)品為激光的優(yōu)勢領(lǐng)地；近年來，多款的激光打印生產(chǎn)制造的髖臼杯也在歐美獲得審批。

圖6 3D打印骨科植入體的應(yīng)用已經(jīng)實現(xiàn)了從頭到腳的分布

正如前文所講，EBM和SLM分別具有其成形的優(yōu)勢。EBM在高溫合金、大尺寸的實體件上更具有優(yōu)勢；而SLM則在精細結(jié)構(gòu)、多孔方向具有優(yōu)勢。將技術(shù)應(yīng)用在最適合的領(lǐng)域才是最優(yōu)的選擇。而通過3D打印骨科器械的數(shù)字化設(shè)計，能夠賦予傳統(tǒng)的生物相容性材料全新的性能，以滿足醫(yī)療領(lǐng)域?qū)τ谄餍档母叩囊蟆?br />
小結(jié)
伴隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，人類的壽命在不斷地延長，而與骨骼相關(guān)的疾病也在迅速增加。3D打印在應(yīng)用層面改變了材料的本征特性，通過數(shù)字化的設(shè)計，以多孔結(jié)構(gòu)為承載方式，實現(xiàn)了形狀、生物力學(xué)性能的調(diào)整，滿足了骨科領(lǐng)域人體匹配、患者匹配的需求。
相比于傳統(tǒng)鑄造、鍛造行業(yè)中形狀基本能夠決定產(chǎn)品的性能。在3D打印中，模型設(shè)計、工藝處理成為了技術(shù)的核心，也對行業(yè)的發(fā)展業(yè)態(tài)提出了更高的要求。

參考：
Horáček, Milan,et al. "Medical implants by using RP and investment castingtechnologies." The 69th WFC 8 (2011): 107-111.

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場。如若轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。

編者按：本文來自微信公眾號“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3） 作者：靖哥，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

3D打印在骨科的領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷的加速中。從頭到腳，3D打印的骨科器械已經(jīng)應(yīng)用在了顱骨、頜面、頸椎、肩關(guān)節(jié)、胸椎、肋骨、腰椎、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳趾骨以及人體各處的長骨的骨板及修復(fù)。

一口氣讀完這些3D打印的骨科應(yīng)用，字里行間分明可以看到：

市場留給傳統(tǒng)工藝骨科植入體的時間已經(jīng)不多了…
  
3D打印在骨科醫(yī)療植入體中的應(yīng)用

世界上沒有兩片完全相同的葉子，人體也沒有兩塊一樣的骨骼；
不同的葉子滿足不同植物的需要，不同的骨骼滿足不同人的需要。

從頭到腳，成年人有206塊骨骼。這些骨骼支撐著我們的身軀，是我們?nèi)粘＝】颠\動的基礎(chǔ)，也是健美形態(tài)的基礎(chǔ)。只是骨骼也會受傷。
骨骼的受傷可能會是突發(fā)性的，比如：

圖1 踝關(guān)節(jié)骨折

也可能是由于各種疾病引起的，或者長期的使用，從而產(chǎn)生的自然磨損退化，如老年退化、肥胖加速或者過度鍛煉產(chǎn)生的關(guān)節(jié)炎：

圖2 膝關(guān)節(jié)炎（來源：VeritasHealth）

還有“現(xiàn)代科技病”。在當(dāng)前移動互聯(lián)時代，汽車代步時代，從上班到下班，從地鐵到汽車都在加速耗損著脊椎。

圖3 不同的低頭角度對于頸椎所施加的壓力 （來源：Tech-neck Final）

骨骼損傷修復(fù)

骨骼具有自愈能力，但其自愈能力是有限的。
在沒有骨缺失的情況下：輕度的骨折，在外固定的作用下即可愈合；嚴重的骨折在鋼板、鋼釘?shù)墓潭ㄏ乱部梢杂?。對于軟骨等在成年后已?jīng)不可再生的骨組織，損傷后的自體愈合，在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)下尚未實現(xiàn)。有效的治療方式往往需要通過植入人工軟骨，如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)的植入體替換。對于由于腫瘤等病變導(dǎo)致的大量骨組織切除，使用植入體取代缺失的骨骼，也是常規(guī)的骨修復(fù)的操作。
理想的修復(fù)是恢復(fù)骨骼的力學(xué)功能及生理功能，傳統(tǒng)工藝的植入體一定程度上恢復(fù)了其力學(xué)功能，3D打印的植入體能夠更大程度的恢復(fù)其力學(xué)功能和部分生理功能。

骨科植入體的趨勢—3D打印化

人不是從一個模子里面印出來的；所以和人體最優(yōu)的匹配也不會是從一個模子里面造出來的。當(dāng)然，在沒有達到最優(yōu)時，我們會理性的選擇妥協(xié)。人類在發(fā)展歷史，就是在妥協(xié)中不斷的前進；骨科的植入體遵循同一規(guī)則。
傳統(tǒng)工藝制造的骨科植入體，已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域服務(wù)了有半個世紀之久，也幫助千萬患者擺脫喪失行動能力的厄運。受限于模具，傳統(tǒng)的器械不能實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，也不能經(jīng)濟的實現(xiàn)患者匹配式的生產(chǎn)。
當(dāng)數(shù)字化、無模具的3D打印生產(chǎn)方式被應(yīng)用在骨科時，其性能可根據(jù)需求進行數(shù)字化的設(shè)計，通過外形和多孔結(jié)構(gòu)等設(shè)計，實現(xiàn)生物力學(xué)、骨長入、形態(tài)匹配這些優(yōu)勢，因而在醫(yī)療領(lǐng)域得到了迅速的認可、接受及推廣。

3D打印的骨科器械可以分為間接成形和直接成形。

1. 間接成形
間接成形中3D打印過程所用的材料并不是最終植入體所用的材料。在該項工藝中，以位于美國波士頓區(qū)域的Conformis為例。其流程為：

患者的數(shù)據(jù)—> 匹配型植入體模型——>3D打印蠟?zāi)ぁ?gt;鑄造金屬植入體——>后處理

圖4 膝關(guān)節(jié)植入體間接成形流程示意圖（來源：1，Conformis）

該類產(chǎn)品特點為形狀實現(xiàn)患者匹配，限制是無法實現(xiàn)力學(xué)的優(yōu)化。間接生產(chǎn)的一個必要環(huán)節(jié)是鑄造工藝，而鑄造工藝尚無法實現(xiàn)制造復(fù)雜、微細的多孔結(jié)構(gòu)，因而產(chǎn)品均為實體結(jié)構(gòu)。

2.  直接成形
直接成形中3D打印過程所用的材料也是最終植入體所用的材料。這類生產(chǎn)方式主要依托于金屬粉床熔融成形，也包括少量基于材料擠出成型的產(chǎn)品（如PEEK）。
在金屬粉床熔融成形的工藝中，可以進一步的細分為激光熔融（SLM）和電子束熔融（EBM）。電子束成形和激光成形各有其優(yōu)勢，因而在其應(yīng)用上只有更好的匹配。

EBM適合制造實體的、較大尺寸的產(chǎn)品，對于高溫材料的成形具有更大的優(yōu)勢。電子束具有更高的成形速度，且成形過程會進行粉層的預(yù)熱，因而成形過程中熱應(yīng)力較小，適合加工尺寸較大的器件。電子槍容易達到高功率，能夠有效的加工高溫合金（如鎢合金等）；加工醫(yī)用常用材料鈦合金也是足夠的。如2016年2月份，F(xiàn)DA審批通過了世界首個3D打印患者匹配的顱骨補片就是用EBM的工藝制作的；意大利的醫(yī)療器械公司也用EBM技術(shù)通過CE認證了全球首款3D打印的骨科植入體器械，是一款基于鈦合金材料的髖臼杯。當(dāng)前，中國國內(nèi)審批通過的產(chǎn)品也是基于EBM技術(shù)。

圖5 世界首個患者匹配式3D打?。‥BM）的鈦合金顱骨植入體（來源：BioArchitects）

SLM適合制造精度要求高、有精細桿徑設(shè)計、多孔類的結(jié)構(gòu)。SLM成形工藝中激光的光斑更小，能夠達到更小的粉末層厚，因而能夠生成精細度要求更高的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。因為成形中不需要對粉末進行預(yù)熱操作，SLM成形件具有更好的粉末殘留清除的表現(xiàn)，也為成形產(chǎn)品從設(shè)計到成形的力學(xué)匹配提供更強的應(yīng)用基礎(chǔ)。對于尺寸較大的零件，在加工后通過熱處理可以有效的去除熱應(yīng)力，而且能夠增加產(chǎn)品的強度。當(dāng)前SLM工藝被成熟的應(yīng)用在鈦合金、鈷鉻合金等常用骨科材料的加工。在應(yīng)用方面，對于具有多孔結(jié)構(gòu)需求的器械上有更大的性能優(yōu)勢，當(dāng)前在國際領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用于脊椎、髖關(guān)節(jié)領(lǐng)域的植入體。尤其以脊椎類產(chǎn)品為激光的優(yōu)勢領(lǐng)地；近年來，多款的激光打印生產(chǎn)制造的髖臼杯也在歐美獲得審批。

圖6 3D打印骨科植入體的應(yīng)用已經(jīng)實現(xiàn)了從頭到腳的分布

正如前文所講，EBM和SLM分別具有其成形的優(yōu)勢。EBM在高溫合金、大尺寸的實體件上更具有優(yōu)勢；而SLM則在精細結(jié)構(gòu)、多孔方向具有優(yōu)勢。將技術(shù)應(yīng)用在最適合的領(lǐng)域才是最優(yōu)的選擇。而通過3D打印骨科器械的數(shù)字化設(shè)計，能夠賦予傳統(tǒng)的生物相容性材料全新的性能，以滿足醫(yī)療領(lǐng)域?qū)τ谄餍档母叩囊蟆?br />
小結(jié)
伴隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，人類的壽命在不斷地延長，而與骨骼相關(guān)的疾病也在迅速增加。3D打印在應(yīng)用層面改變了材料的本征特性，通過數(shù)字化的設(shè)計，以多孔結(jié)構(gòu)為承載方式，實現(xiàn)了形狀、生物力學(xué)性能的調(diào)整，滿足了骨科領(lǐng)域人體匹配、患者匹配的需求。
相比于傳統(tǒng)鑄造、鍛造行業(yè)中形狀基本能夠決定產(chǎn)品的性能。在3D打印中，模型設(shè)計、工藝處理成為了技術(shù)的核心，也對行業(yè)的發(fā)展業(yè)態(tài)提出了更高的要求。

參考：
Horáček, Milan,et al. "Medical implants by using RP and investment castingtechnologies." The 69th WFC 8 (2011): 107-111.

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場。如若轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。