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圖為3D打印機

    19歲的強強曾一度喪失了生活的勇氣。他患了一種十分罕見的代謝類疾病“下頜溶骨癥”，下頜骨逐漸被自體溶解吸收，下巴越來越小，臉部漸漸變形，吃飯、說話都成了問題。這種病全世界僅百余例?；疾〉膹姀娫絹碓阶员?，不敢見人，甚至有了輕生的念頭。

    西安交大機械學院李滌塵教授課題組利用3D打印技術為強強量身定制了新的下頜骨——用他的腓骨作為下頜體部材料，支架與植骨相結(jié)合，順利恢復了強強的面部外形，解決了強強的煩惱，笑容和自信又重新回到這個年輕小伙的身上。

    像強強這樣的顱頜面骨缺損患者在我國每年超過300多萬，大多因創(chuàng)傷、病變、車禍造成。他們面部形態(tài)被改變，咀嚼、發(fā)聲困難，甚至視覺和腦部功能也受到影響。李滌塵教授課題組發(fā)明的“個性化顱頜面骨替代物設計制造技術”為這些患者帶來了福音。這項成果的個性化替代物產(chǎn)品、制造設備、手術器具銷往上百家醫(yī)療機構和制造單位，臨床案例超過1.1萬，近三年累計銷售額達1.14億元。1月9日，這項成果獲得了2014年度國家科學技術發(fā)明二等獎。

      骨替代物是骨缺損修復的關鍵產(chǎn)品。顱頜面骨形狀復雜，缺損個體差異大，需要根據(jù)具體缺損情況個體化制作。傳統(tǒng)的顱頜面骨修復往往取決于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗：手術切開組織后，臨床醫(yī)生將通用鈦板或鈦網(wǎng)手工彎制成形，手術耗時長，手術效果難以達到最佳。

尋找3D打印與顱頜面外科的交叉點，西安交通大學李滌塵教授課題組面臨三大難題：一是外形難以與原有骨結(jié)構一致，手工塑性不好會使面部變形，影響心理康復；二是力學功能難以控制，手工彎制強度過低材料易斷裂，剛度過高則造成應力屏蔽；三是替代物沒有骨再生功能。通過反復比對，課題組瞄準了從傳統(tǒng)機械制造向生物與仿生制造發(fā)展的前沿方向，以患者醫(yī)學影像數(shù)據(jù)為基礎，通過3D打印，手術前即制作好滿足臨床要求的個性化骨替代物，保證骨修復的快速和準確。

      科研人員通過鏡像變換、布爾運算和相似性匹配為患者量身設計個性化替代物外形結(jié)構，并對替代物板孔分布進行快速個體定制設計和優(yōu)化，使新骨處于骨生長最佳應變區(qū)間內(nèi)，保證了外形與原有骨結(jié)構的一致性。他們還發(fā)明了替代物的快速制造方法，以光固化快速精密鑄造為主，結(jié)合快速原型模板復形和鈦合金激光直接成形，比手工彎制精度提高10 倍以上，力學性能和化學成分均滿足國家與醫(yī)用行業(yè)標準?；谠瓌?chuàng)基礎理論的關鍵技術研發(fā)，不僅實現(xiàn)了形態(tài)的個體適配，還解決了力學性能的個性化適配，攻克了應力屏蔽導致的骨萎縮難題。

      如何實現(xiàn)骨再生？西安交大李滌塵教授課題組將個性化鈦替代物設計成一條仿生通道，結(jié)構鏤空，內(nèi)部填充可降解生物陶瓷，并在陶瓷內(nèi)設置微觀通道結(jié)構。他們還發(fā)明了個性化頜骨牽張器，根據(jù)患者數(shù)據(jù)構建空間牽引軌道，制作空間弧形導軌，使牽引成骨與患者對側(cè)下頜骨形態(tài)對稱，成為患者自體生長的活性“替代物”。新骨長自本身骨骼，體內(nèi)最終不留異物，在國際上首次實現(xiàn)牽引軌跡與患者骨骼形狀的個性化適配，對于發(fā)育中的青少年通過牽張修復缺損具有重要價值。

      2001年，課題組聯(lián)合西安交大口腔醫(yī)院成功實施了世界首例3D打印個性化下頜骨替代物臨床應用，比國外整整早了10年；2006年，率先完成國際首例個性上頜骨修復臨床應用；2009年實施了全國首例全下頜骨溶解個性化修復。李滌塵教授1998年首倡“生物制造”研究，目前課題組的研究范圍已囊括定制化人工假體、骨/軟骨關節(jié)、關節(jié)韌帶組織制造，以及細胞打印、肝組織結(jié)構制造、個體化骨折外固定器及其臨床應用等。

      以中國科學院熊有倫院士為組長的國家自然科學基金重點項目驗收組，對資助本項目的“人工骨活化機理及仿生設計制造技術基礎研究”驗收時評價認為“該項目是制造學科與生物醫(yī)學學科的深度交叉研究。該項目在這一領域做出了重要探索性貢獻，其研究成果體現(xiàn)了我國在生物制造目前的學術水平和創(chuàng)新貢獻，推動了生物制造研究領域的發(fā)展”。邱蔚六院士在綜述論文“口腔頜面修復重建外科近況”評價稱，“這種技術完全符合‘個體化’醫(yī)療的現(xiàn)代理念，并促進了‘個體化’修復外科的發(fā)展。”

      四川大學華西口腔醫(yī)院在臨床應用后認為，此項成果具有精度高、組織相容度高、個體適配性強、修復效果好、簡化手術過程和穩(wěn)定性高的優(yōu)勢。中山大學附屬中山醫(yī)院在臨床應用后表示，該產(chǎn)品和技術在實用性、準確性、縮短手術時間、降低手術風險及減少手術醫(yī)生勞動強度等方面有明顯優(yōu)勢，具有較強的臨床應用價值。

      從基礎理論研究到關鍵技術發(fā)明，再到系列產(chǎn)品開發(fā)并推廣應用，李滌塵教授課題組歷時十余年，有效實現(xiàn)了顱頜面骨缺損個性化修復的數(shù)字化、精確化和大規(guī)模臨床應用，將塑形精度提高10倍以上，手術效率提高80%。此項目共獲授權發(fā)明專利18項。