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简单聊一聊骨科领域的3D打印技术

Published at: 2015年第1卷第S1期

江苇妍
关键词:

医学评论 | 特稿

编者按:德国哲学家莱布尼茨在在“相异律”中提出了一个知名的观点:世界上找不到两片相同的树叶。树叶如此,人更如此。每每谈到人体之复杂,我们不得不高歌女娲的技艺之高深。人体解剖学早在公元前500年就已经在中国有著作记载了“解剖”的认识方法;在西方,希波克拉底和亚理斯多德还曾进行过动物实地解剖,换句话说,这个学科已经发展了约两千五百多年,但仍存在许多无规可循的地方,教材中的“金标准”也仅仅只能笼统地覆盖大部分人类。

图1.达芬奇被认为是近代生理解剖学的始祖,他最先采用蜡来表现人脑的内部结构,也是设想用玻璃和陶瓷制作心脏和眼睛的第一人。图为其中之一的生理解剖图,来自网络。

3D打印技术的横空出世为每一位独一无二的人类打造属于自己的工具/器官,在理论上是合理的、完美的,它能够解决人类医学史上千年的烦恼。但是,每一位独一无二的人类都是由大自然孕育而生,并非人工合成。随着现代医学的发展,我们有信心克服经济因素,推广3D技术;但是,我们又该选取哪一种生物材料去代替从大自然孕育的骨肉?

著名杂志《生物材料》发表了一篇文章“3D打印复合磷酸钙和胶原骨再生支架”介绍了一种崭新的原材料和制备技术,旨在能够更加贴合人体。来自北京大学第三医院的Cai H借此文介绍了3D 打印技术在中国骨科领域的现状和机遇;来自南京鼓楼医院的Li L和Jiang Q则拓展了各种各样的3D打印原材料及其技术,并表示其种类还会继续增加。

两篇医学评论均没有对被点评文章的新材料和新技术进行过多评判,3D打印作为一项年轻的技术,仍需要经过长时间的临床转化研究去验证。

没事,我们先来认识一下这篇由“大刊”所出的被点评文章

被点评文章原文信息:

Jason A. Inzana, Diana Olvera, Seth M. Fuller, et al. 3D Printing of Composite Calcium Phosphate and Collagen Scaffolds for Bone Regeneration. Biomaterials. 2014 Apr; 35(13): 4026–4034. doi:  10.1016/j.biomaterials.2014.01.064

第一作者Jason A. Inzana是来自美帝的罗彻斯特大学医学中心肌肉骨骼研究中心,他们大概做了这么两件事:

1.     用使用磷酸盐(CaPs)粉末、磷酸、I型胶原和失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚在低温条件下制作了一款3D打印支架。

2.     经过优化各成分的浓度,所述支架在一个临界尺寸的鼠股骨缺损模型中进行了评估,并表现出良好的材料特性。

唔……先鼓个掌吧!

有兴趣可以长按二维码浏览全文

为此,AME编委团队特邀两个专家团队进行医学评论。

医 学 评 论

第一篇医学评论原文信息:

Cai H. Application of 3D printing in orthopedics: status quo and opportunities in China. Ann Transl Med 2015;3(S1):S12. doi: 10.3978/j.issn.2305-5839.2015.01.38

评论作者Cai H讲的是国内3D技术的应用情况:

1.    为了便于手术设计的快速原型制造,3D技术更多用于医学教育和设计、演示复杂手术。

2.    在国内骨科领域上,应用3D打印基础设备(个体化设计装置)具备一定的效用,推广尚早。

3.    3D打印金属植入物的研发和应用的前景可乐观看待。

4.    基础研究热点分别为修改3D打印金属物的表面多孔属性(与人体的融合性)和可生物降解属性。

译文入口

3D 打印技术在骨科中的应用:中国的现状和机遇(译者:徐海栋,南京军区南京总医院)

图2. 强生公司旗下的膝关节置换器械ATTUNE,采用3D打印技术,更多符合人体工程学。图来自强生TRUMATCH。

医 学 评 论

第二篇医学评论原文信息:

Li L, Jiang Q. Editorial on the original article entitled “3D printing of composite calcium phosphate and collagen scaffolds for bone regeneration” published in the Biomaterials on February 14, 2014. Ann Transl Med 2015;3(S1):S2. doi: 10.3978/j.issn.2305-5839.2015.04.03

评论作者Li L大概讲了这么两件事:

1.    具体介绍了研究者所采用的复合材料(以CaPs为主)及其制备方法。

2.    具体介绍了其他3D打印材料(如HA,合成高分子材料)及其制备技术。

译文入口

论 3D 打印复合磷酸钙和胶原骨再生支架(译者:雷鹏飞,中南大学湘雅医院)

铺垫完毕,进入正题。

其实,小编也不是很看得懂。

因此,特别邀请本期嘉宾中南大学湘雅医院骨科医师雷鹏飞博士为读者进行解读

这篇来自《生物材料》的“3D打印复合磷酸钙和胶原骨再生支架”的文章探讨的是一个采用3D打印技术制备复合骨组织工程支架的。它有两个突出之处:

第一点:3D打印的原材料

它的原材料是 有机物+无机物

而人类真正的骨头也是 有机物+无机物

所以这种复合材料能够相对更好地仿生骨组织的成分。

往细地去说,

该研究的无机物主要磷酸钙结合3D打印工艺

(如原文中所提的低温制作),

使其具备良好的空间几何结构

提供细胞和组织长入的多孔结构的同时,

还为骨支架提供力学支撑

而用原材料的有机物主要有胶原蛋白、乳化剂等化合物,

它们可仿生细胞外支架和细胞外微环境

为细胞提供良好生存条件

因此,这种复合材料既具备一定的力学强度孔隙结构又具备较好的成骨活性

第二点:良好的实验模型

 这是一个临界尺寸的节段性小鼠股骨缺损模型。

研究者采用的是年龄差距不大(13-15周)、同性别(雌性)小鼠,取股骨中段截骨,制造一个2mm的节段性缺损,该模型可行性高、且对承重要求高。

在临界尺寸的节段性承重骨缺损中能促进快速的骨再生,说明其具有良好的材料属性和生物活性。

图3. 图为3D打印技术下的髋关节金属假体,来自网络。

图4.《实习医生格雷》剧照

实际上,公众对3D打印技术的印象和视线还停留在影视作品或者新闻报道的高奢产品中多见。在当前医疗环境下,3D打印技术的发展还深深地受限于当前体制和百姓医疗消费能力。

3D打印技术对于繁杂多变的人体确实是一向大有裨益的好技术,但是,距离临床上的实际应用还需要漫长的临床转化研究。

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直接占为己有

本期嘉宾

雷鹏飞

· 中南大学湘雅医院骨科医师

· 哈佛大学医学院附属BWH骨科联合培养博士

· 《骨科专家评论》副主编


采写/排版编辑:江苇妍,AME Publishing Company

特别鸣谢中南大学湘雅医院雷鹏飞医生的学术审校。

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