國內醫療行業在3D打印關節植入物方面的研發成果舉例
人工關節置換已經成為治療關節疾病的終極治療手段，是骨科領域在二十世紀取得的最重要的進展之一。在人工關節置換術中，人工關節植入物依據置換部位的不同，包括髖關節植入物、膝關節植入物、脊柱植入物、肩、肘、踝等關節植入物。依據功能要求的不同，人工關節假體可采用具有生物相容性的金屬或非金屬等不同的材料制成。GBI Research指出，2016年全球關節、脊柱、創傷植入物市場規模達418億美元，其中，關節植入物為229億美元，在全球市場中，關節植入物的占比最高，達54.7%，而現階段我國的骨科植入物中創傷類植入物的占比大于關節和脊柱植入物，關節植入物仍有很大的提升空間。
近年來，數字化設計手段和激光或電子束熔融金屬3D打印技術逐漸在關節植入物制造領域發揮了重要作用，金屬3D打印技術作為一種無需模具的增材制造技術，在植入物制造領域體現出的優勢主要為實現成本更低的定制化產品，以及制造出植入物表面的有利于骨長入的仿生微孔結構。
駕馭好這些優勢是否會提升國內關節植入物制造水平及其市場滲透率？ 帶著這個問題3D科學谷對國內醫療器械制造企業、醫院和大學等科研機構在數字化設計和金屬3D打印關節植入物領域的應用與探索進行了了解，其中不僅有對關節植入物設計、金屬3D打印工藝和植入物3D打印材料的研究，還有對定制化關節植入物設計、虛擬驗證、3D打印的互聯網制造模式的探索。本期，中國3D打印為網友們整理了其中三個具有代表性的成果。
國內3D打印關節植入物研究舉例
雙金屬股骨植入物部件
愛康宜誠醫療器械成立于2003年，截至2015年9月累計已超過20余萬套愛康醫療人工關節產品應用于臨床。從2009年開始致力于提供3D金屬打印醫療個性化解決方案和醫工交互臨床應用系統的建設， 2015年8月由愛康自主研發的基于金屬3D打印技術的3D ACT人工髖關節系統獲得CFDA上市許可，成為全國首個獲得CFDA上市許可的3D打印骨科內植入物產品。除了已進行產業化的金屬3D打印植入物產品，愛康宜誠還進行了更多種類3D打印植入物產品的開發，包括髖關節植入物中的雙金屬股骨部件。
圖片來源：Arcam AB
髖關節假體由股骨柄(包括股骨頭)、內襯、髖臼杯等組成。股骨柄和髖臼杯采用金屬材料制成，內襯采用醫用高分子聚乙烯制成。其中，髖關節假體的股骨柄采用鈦合金、鈷合金或不銹鋼材料制成。鈦合金股骨柄雖然與人體骨的生物相溶性好，但是關節表面光潔度不好，容易與聚乙烯內襯之間摩擦產生磨損顆粒，從而造成骨溶解。而鈷合金股骨柄雖然對聚乙烯內襯的磨損小，但是與人體骨的結合不好，彈性模量與人體骨的彈性模量相差大，易產生應力遮擋，容易造成術后骨質疏松、退化，進而影響術后假體長期的穩定性。如何兼顧到聚乙烯內襯顆粒磨損問題和應力問題是愛康宜城研究的重點。
雙金屬假體部件包括骨結合金屬層、金屬耐磨層以及這兩層之間的過渡層。這三個部件均由金屬3D打印機制造完成。骨結合金屬層與人體骨相配合，采用的是生物相容性好的鈦合金材料，并打印出三維貫通的微孔，可以誘導人體骨細胞很好地長入微孔中，從而使雙金屬假體部件與人體骨結合牢固。
與聚乙烯內襯接觸金屬耐磨層則采用表面光潔度好且耐磨的鈷合金材料，這樣可以保證骨結合金屬層與人體骨的生物固定效果好的同時，又使金屬耐磨層不容易與聚乙烯內襯摩擦產生磨損顆粒，防止骨溶解的發生。
過渡層的作用是實現骨結合金屬層和金屬耐磨層的連接及連接強度，采用鈦鈷合金材料，該材料由愛康宜城的金屬零件加工裝置按照比例要求進行不同材質粉末混合，并將混合好的金屬粉末送到3D打印機內指定位置進行熔融堆積。過度層中靠近骨結合金屬層的方向鈦合金含量較高，而在靠近耐磨層的方向鈷合金的含量較高。
這樣的結構設計有利于提高植入物的置換質量以及術后長期的穩定性。
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