醫(yī)療行業(yè)極大地受益于增材制造的進步。憑借為每位患者創(chuàng)造獨特設(shè)計的能力，個性化醫(yī)療終于成為現(xiàn)實。醫(yī)療植入物是一個特別敏感的領(lǐng)域，因為它們涉及將外部元件引入體內(nèi)以替代失效的功能或治療疾病。為了確保最佳的兼容性，這些植入物必須進行定制設(shè)計，這解釋了為什么增材制造在該領(lǐng)域變得至關(guān)重要。

本文，魔猴網(wǎng)將和大家一起學習一系列使用3D打印制造的植入物。該排名包括已批準的植入物以及仍處于研究階段的其他植入物，從而說明了該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的潛力和持續(xù)進步。

3D打印的耳朵植入物

錘子、砧子和馬鐙是位于我們耳朵中的三塊骨頭，是人體中最小的骨頭，因為它們在出生后不會生長。因此，它們的形狀、大小和位置對于確保耳朵的正常功能非常重要。然而，有時這些骨頭會斷裂，需要更換。這就是南非發(fā)生的事情，一名患者在一場車禍后植入了3D打印的鈦小骨。對他的中耳進行3D掃描后，手術(shù)背后的外科醫(yī)生團隊能夠?qū)Χㄖ频闹踩胛镞M行建模，隨后在激光粉末床融合機上進行打印。在這種情況下，鈦因其生物相容性和強度而受到青睞。

聽小骨是人體最小的骨頭之一。照片顯示的是真正的小骨，而不是植入物

腫瘤切除后3D打印頜骨植入物

Anelia Myburgh是一名澳大利亞患者，她植入了3D打印下頜植入物，使她能夠重建臉部。她的下巴和牙齒上長有惡性腫瘤，醫(yī)生不得不將其切除。在此過程中，他們必須切除患者面部的一部分，從而導致面部嚴重變形。這個案例促使頜面外科醫(yī)生George Dimitroulis探索增材制造用于創(chuàng)建個性化模型的可能性。他創(chuàng)造了一種帶有鈦框架的頜骨植入物，能夠植入骨移植物。經(jīng)過5個多小時的手術(shù)和幾個月的恢復期，可以說手術(shù)是成功的。

雷尼紹的胸腔

由于胸部腫瘤，71歲的威爾士人彼得·馬格斯不得不切除三根肋骨和部分胸腔。他的肋骨軟骨中有一個網(wǎng)球大小的腫瘤，經(jīng)過8小時的手術(shù)后被切除。胸腔的這些缺失部分已成功地用定制植入物替換。醫(yī)生們選擇金屬3D打印作為制造方法，并轉(zhuǎn)向雷尼紹解決方案，能夠制造優(yōu)質(zhì)鈦零件。

3D打印硅膠心臟瓣膜

當然，植入物不僅限于骨骼，盡管它們更容易制造，因此在市場上更常見。例如，人工心臟瓣膜是用硅樹脂制成的。這些3D打印的人造心臟瓣膜是蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究團隊與南非公司Strait Access Technologies合作的一部分，旨在替代老年人或患有疾病的人的瓣膜。如果研究人員轉(zhuǎn)向這種材料，那是因為它與人體相容。此外，3D打印使得制造完全適合患者的閥門成為可能。值得注意的是，盡管初步結(jié)果令人鼓舞，但研究人員估計這些3D打印心臟瓣膜還需要10年才能商業(yè)化。

AB Dental和增材制造的使用

AB Dental利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)制造個性化種植體，并在口腔頜面領(lǐng)域進行技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新。該公司的系統(tǒng)使醫(yī)生能夠比傳統(tǒng)方法更準確地計劃牙科和面部修復治療。該公司為患者提供多種3D打印修復植入物，包括竇頂增強、眼眶骨修復和用于吸收頜骨的骨膜下植入物。

3D打印的人造碳視網(wǎng)膜

一名澳大利亞工程師開發(fā)出一種3D打印碳人工視網(wǎng)膜，幫助人們重獲視力。悉尼大學的馬修·格里菲斯博士在意識到人體就像計算機一樣只不過是碳基半導體之后，他開始聲名鵲起。有了這些知識，他決定可以通過制造一種吸收光然后產(chǎn)生電荷的碳（因此完全生物相容）裝置來復制眼睛，就像眼睛一樣。特別是由于3D打印的制造成本較低，他完全可以自己設(shè)計這種人造視網(wǎng)膜。盡管該設(shè)備尚未完成，三到五年后才會進入臨床研究，但格里菲斯先生希望它對失明患者有用，甚至能夠恢復色覺，這是目前不可能。

Particle3D和骨植入物

Particle3D由兩名醫(yī)學工程專業(yè)的學生和他們的教授于2014年推出，目標是開發(fā)一種新的解決方案來替代被破壞或手術(shù)切除的骨頭。如今，Particle3D繼續(xù)根據(jù)自己的CT/MRI開發(fā)針對患者的骨植入物，從而生產(chǎn)出具有獨特的類骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的3D打印植入物，包含微孔和大孔，與真正的骨頭一模一樣。

3D打印軟骨植入物可對抗骨關(guān)節(jié)炎

在人類和狗身上，一層微小的軟骨可以保護關(guān)節(jié)表面，并使骨骼能夠正確地相互滑動。不幸的是，隨著時間的推移，這種軟骨會退化，從而導致骨關(guān)節(jié)炎，從而導致關(guān)節(jié)疼痛。為了克服這個問題，北卡羅來納州立大學的研究人員開發(fā)了一種基于織物的植入物，其中含有源自患者干細胞的軟骨。這種類型的植入物部分采用3D打印技術(shù)，已在一群患有髖關(guān)節(jié)問題的狗身上進行了成功測試。這組人被分成兩部分，一組接受了植入物，另一組則沒有。正如您所預(yù)料的那樣，接受植入物的狗在手術(shù)后4個月就恢復了所有能力。

照片來源：Depositphoto

世界上最大的3D打印顱骨植入物

初創(chuàng)公司Arcomedlab通過使用3D打印制造出世界上最大的顱骨植入物，實現(xiàn)了一項壯舉。自成立以來，Arcomedlab已治療了600多個具體臨床病例，主要專注于個性化植入物的顱骨重建，以及定制的面部重建。此外，他們還進行了各種復雜的手術(shù)計劃。目前，該公司能夠利用FDM和SLA 3D打印技術(shù)來完整重建各個年齡段患者的頭骨以及任何面部骨骼結(jié)構(gòu)。得益于這些技術(shù)進步，他們突破了重建醫(yī)學的極限，并提供了適合每位患者特定需求的創(chuàng)新解決方案。

照片來源：Arcomedlab

伊萊恩研究項目

作為ELAINE（電活性植入物）研究項目的一部分，羅斯托克大學的研究人員正在致力于開發(fā)用于骨替代的生物活性結(jié)構(gòu)。目前，鈦植入物很常用，但它們有局限性：它們對身體解剖條件的適應(yīng)并不完善，而且隨著時間的推移它們可能會松動，導致長期問題。為了克服這些挑戰(zhàn)并改善骨缺陷的治療，科學家們正在探索增材制造提供的可能性。他們正在研究模仿天然骨骼結(jié)構(gòu)行為的電活性植入物，從骨骼生理學中汲取靈感。所選擇的材料是鈦酸鋇，能夠在與體液接觸時釋放離子。用于制造這些植入物的技術(shù)是LCM，一種光聚合技術(shù)。該過程涉及使用負載壓電陶瓷顆粒的聚合物，然后將其放入打印機中，通過光固化創(chuàng)建精細結(jié)構(gòu)，從而賦予材料生物相容性。3D打印還有一個額外的好處，那就是可以制造針對每位患者量身定制的定制植入物。盡管該項目仍處于研究階段，但預(yù)計這些植入物可以在大約十年內(nèi)用于臨床環(huán)境。

未來，更大的植入物，例如用于顱骨重建的植入物，可能來自3D打印機。

“MyBone”鼻子移植手術(shù)

2022年，圖盧茲大學醫(yī)院、Claudius Regaud研究所和比利時CERHUM公司合作，利用3D打印成功重建癌癥患者的鼻子。這一創(chuàng)新過程涉及創(chuàng)建一種名為“MyBone”的個性化生物陶瓷植入物，它復制了人體骨骼的特征，并促進骨整合和骨傳導性。這一切都始于對患者面部的詳細掃描，然后通過立體光刻技術(shù)3D打印植入物。首先將植入物放置在患者的前臂中，以促進血管形成和細胞定植，這是細胞侵入植入物結(jié)構(gòu)內(nèi)并生長的關(guān)鍵過程。這一步完成后，鼻子就被移植到患者的臉上，并通過顯微外科手術(shù)連接到她的血管。這種方法實現(xiàn)了高水平的生物相容性和耐用性，同時最大限度地降低了感染風險和未來更換的需要。該手術(shù)成功移植了功能齊全且美觀的鼻子，展示了3D打印在大型重建手術(shù)領(lǐng)域的巨大潛力。

照片來源：圖盧茲大學醫(yī)院

BellaSeno：3D打印乳房植入物

BellaSeno公司使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)由聚己內(nèi)酯（一種醫(yī)療保健領(lǐng)域常用的縫合材料）制成的乳房植入物。這些3D打印植入物適用于患有乳腺癌或其他乳腺疾病的患者，并設(shè)計用于重建和整形手術(shù)。BellaSeno開發(fā)了一種支持臨床兼容材料的3D打印解決方案。這些植入物設(shè)計為在五年內(nèi)完全吸收，在此期間它們會被體內(nèi)的天然脂肪細胞取代。對患者進行的前十次測試顯示出有希望的結(jié)果，患者評價積極，3D植入物的安全性良好。外科醫(yī)生也對這些3D打印植入物的使用給出了積極的意見。

修復膝關(guān)節(jié)軟骨的植入物

Nanochon的使命是促進膝蓋受傷患者的軟骨更換和修復。為了實現(xiàn)這一目標，該公司使用3D打印技術(shù)，特別是擠壓技術(shù)，來制造植入物來替代受損或丟失的軟骨。該裝置稱為Chondrograft?，由創(chuàng)新的生物相容性復合材料制成，可促進組織再生。Chondrograft?采用Nanochon專有的復合材料，通過熔絲制造工藝增材生產(chǎn)。該植入物的獨特之處在于其獨特的結(jié)構(gòu)：除了可見的微觀結(jié)構(gòu)外，它還具有亞微米孔隙度。這一特性在后處理后使植入物更加靈活和可延展，同時保持其結(jié)構(gòu)完整性。

照片來源：Nanochon

Matricelf骨髓植入物

2022年，以色列再生醫(yī)學公司Matricelf成功進行了3D打印脊髓植入物的測試。這些植入物在患有慢性長期癱瘓的小鼠身上進行了評估，結(jié)果顯示恢復行走能力的成功率為80%。Matricelf開發(fā)的技術(shù)首先對患者的網(wǎng)膜組織進行活檢。然后對該組織進行專有的脫細胞處理，產(chǎn)生耐熱水凝膠。同時，誘導多能干細胞（iPSC）由患者的成熟細胞重新編程。測試水凝膠中的iPSC可以創(chuàng)建功能性的、患者特異性的神經(jīng)植入物，能夠修復受損的脊髓組織。盡管這些植入物到目前為止僅在小鼠身上進行了測試，但科學家們對它們改變成千上萬因道路事故、跌倒和體育活動而遭受脊髓損傷的人的生活的潛力感到樂觀。研究仍在繼續(xù)，并已在美國和歐洲提交了將這些植入物用于人體的專利申請。

照片來源：Matricelf

3D打印踝關(guān)節(jié)假肢

麥考瑞大學的肢體重建中心通過使用3D打印植入物改進了踝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。這些進步為患有嚴重踝關(guān)節(jié)炎或外傷引起的關(guān)節(jié)損傷的患者提供了緩解和活動能力。這些植入物由羥基磷灰石等合成材料制成，模仿天然骨結(jié)構(gòu)并促進骨整合，確保長期耐用性并降低術(shù)后并發(fā)癥的風險。與限制活動性并可能導致其他關(guān)節(jié)問題的傳統(tǒng)踝關(guān)節(jié)融合和置換術(shù)不同，這些3D打印植入物可以在緩解疼痛的同時保留關(guān)節(jié)運動。自2022年以來，整形外科醫(yī)生Tim O'Carrigan博士和Mustafa Alttahir博士一直在進行這項手術(shù)，該手術(shù)需要的踝關(guān)節(jié)螺釘插入量和關(guān)節(jié)軟骨去除量顯著減少，從而可以更快地恢復并增加活動能力。

圖片來源：麥考瑞大學

第一頂3D打印兒童骷髏帽

2023年末，10歲的菲利克斯遭遇了一場事故，一塊金屬擊中了他的頭部，穿透了他的頭骨。這次事件導致他失明，盡管進行了緊急手術(shù)，他的大部分頭骨仍然被毀壞。薩爾茨堡地區(qū)醫(yī)院的醫(yī)生隨后以3D方式重新打印了這頂無邊便帽。主要挑戰(zhàn)是僅根據(jù)掃描儀圖像重新創(chuàng)建蓋子而不保留其之前的狀態(tài)。在短短五天的時間里，他們成功地為頭骨制造了一個PEEK植入物，并在手術(shù)中將其植入。這是3D打印植入物首次應(yīng)用于兒童身上。PEEK不應(yīng)該給菲利克斯造成任何問題，并且應(yīng)該在他的體內(nèi)保留很多年，只有當他的成長需要時才需要更換更大的模型。

事故發(fā)生后，Felix（身穿藍色T恤）在家人和SALK醫(yī)生的簇擁下收到了一頂3D打印的PEEK骷髏帽。（照片：索爾克/萊昂·伯恩霍夫）