“了解金屬的人會選擇塑料”，這句名言來自機械工程領(lǐng)域。按照工程師們的意思，塑料通常是更令人信服的金屬替代品。這種方式的改變現(xiàn)在也進(jìn)入了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：創(chuàng)新型特種材料和增材制造帶來的新的技術(shù)可能，正在把高性能聚合物推向新高度。
聚合物用于植入物有著悠久的傳統(tǒng)：超交聯(lián)聚乙烯通常作為金屬或陶瓷的摩擦配合用材，被制成人工膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。自20世紀(jì)80年代以來，高性能聚合物聚醚醚酮（PEEK）就一直作為鈦的補充材料，用于植入物。生物可吸收聚乳酸基聚合物由于能被人體自然降解，不留下任何異物，已經(jīng)在骨科應(yīng)用了30多年。
長久以來，生產(chǎn)中存在的一些難題尚未解決：標(biāo)準(zhǔn)工藝是注射成型，特別是針對患者用的植入物，需要對半成品進(jìn)行銑削，高達(dá)80%的材料可能會損失掉。
醫(yī)療技術(shù)中的3D打印
增材制造為個性化生產(chǎn)開辟了新途徑。它給植入物帶來的優(yōu)勢比其它任何領(lǐng)域都更為明顯，可為每位患者定制產(chǎn)品。塑料增材制造業(yè)的突破近在眼前，主要體現(xiàn)在三個方面：
◆有質(zhì)量保證的合適材料和相應(yīng)的記錄可供植入物使用。
◆打印技術(shù)獲得進(jìn)步，已經(jīng)能可靠地生產(chǎn)出高品質(zhì)部件。
◆根據(jù)醫(yī)療部門的質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，建立適合生產(chǎn)的流程。
現(xiàn)在，由于第一次滿足了上述條件，原材料生產(chǎn)商、打印機制造商和醫(yī)療設(shè)備制造商之間結(jié)成的聯(lián)盟可以為這項技術(shù)帶來突破。
可打印的植入級線材
圖 1：Apium Additive Technologies 用 Vestakeep 經(jīng) 3D 打 印 的 柔性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
贏創(chuàng)是世界上最早為長期植入物提供3D打印醫(yī)用級線材的企業(yè)之一，包括旗下Vestakeep品牌提供的高性能聚合物PEEK，或是可以含有聚乳酸成分的Resomer品牌系列的可吸收聚合物。
為了充分挖掘3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的潛力，價值鏈中所有參與者的協(xié)作必不可少。例如，在過去幾年里，贏創(chuàng)與各種打印機制造商保持合作。這些3D打印設(shè)備制造商也成功地進(jìn)一步改進(jìn)了熔絲制造（FFF）設(shè)備。
圖 2：Resomer 線材打印的植入物樣本（? Evonik）
這次合作的一個重要發(fā)現(xiàn)是，打印策略對結(jié)果有決定性的影響（標(biāo)題圖）。此外，不同打印層之間的結(jié)合強度對植入物的性能至關(guān)重要。這意味著，只有材料和設(shè)備生產(chǎn)商緊密合作，共享信息，用戶才能獲得良好的3D打印效果。
常規(guī)的臨床實踐也必須考慮在內(nèi)，贏創(chuàng)和Meditool之間的合作也說明了這一點。贏創(chuàng)的風(fēng)險投資部門直接投資的這家總部位于上海的企業(yè)，利用計算機斷層掃描等成像技術(shù)的數(shù)據(jù)打印出PEEK植入物。其創(chuàng)始團隊擁有多年醫(yī)藥和工業(yè)經(jīng)驗，因此，雙方的聯(lián)合開發(fā)工作可以直接將手術(shù)室的要求以及當(dāng)前的學(xué)術(shù)和臨床研究納入考慮范圍。
在歐洲，贏創(chuàng)與德國卡爾斯魯厄的ApiumAdditiveTechnologies，以及德國慕尼黑的Kumovis等公司進(jìn)行密切合作。除了活躍于植入物領(lǐng)域，Apium還專注于探索將增材制造應(yīng)用于牙科醫(yī)學(xué)中的可能。兩家公司都可提供醫(yī)療技術(shù)專用打印機。Kumovis開發(fā)的一種新型的溫度和潔凈度管理系統(tǒng)，顯著提高了3D打印部件，尤其是高性能塑料3D打印部件的質(zhì)量。
表 1：Resomer 線材特性（資料來源：贏創(chuàng)，表格：?Hanser）
贏創(chuàng)與其合作伙伴們一起，證明了在現(xiàn)階段，通過增材制造生產(chǎn)的零件可以達(dá)到與注塑件相同的機械性能。為了更好地利用3D打印的各種參數(shù)，我們有必要透徹了解打印過程和待打印部件的具體特征?？蛻舴答佭€表明，除了可打印性能優(yōu)異，Vestakeep的層間結(jié)合強度優(yōu)于其它PEEK聚合物。盡管PEEK通常被認(rèn)為是一種非常堅硬的材料，但令人驚奇的是，這種材料卻可以通過3D打印技術(shù)打印出柔性結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)格。因此，這在諸如心血管領(lǐng)域打開了新的應(yīng)用空間（圖1）。
圖 3：用 Resomer 聚物材料打印和注塑的部件的機械性能（來源：贏創(chuàng)；圖表：? Hanser）
在開發(fā)Resomer的過程中，贏創(chuàng)公司有意識地設(shè)計出用途盡可能廣泛的生物可吸收分子的組合，其中以聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PLGA）、聚己內(nèi)酯和聚二氧烷作為基礎(chǔ)原料。通過這種方法，我們可以獲得幾個月至數(shù)年的體內(nèi)吸收時間。該線材組合還包括具有骨科應(yīng)用所需機械強度的材料，如PLA和PLGA（植入物樣品見圖2）以及可用于再生醫(yī)學(xué)和軟組織替代品的柔性塑料（如聚二氧烷酮和聚己內(nèi)酯）。表1簡單介紹了可用的線材。
圖 4：3D 打印聚己內(nèi)酯基 Resomer 線材的掃描電子顯微照片（? Evonik）
3D打印的Resomer拉伸試樣桿的機械性能與對應(yīng)的注塑件幾乎沒有區(qū)別。圖3為一些樣品結(jié)果，圖4為樣件表面的掃描電子顯微圖。其性能取決于打印策略和所用設(shè)備。通過選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)，3D打印部件可以獲得與常規(guī)生產(chǎn)部件相似的強度。
圖 5：3D 打印工件中的微孔結(jié)構(gòu)有助于加速 成骨細(xì)胞的生長（? 贏創(chuàng)）
直到2020年2月，贏創(chuàng)推出全球第一款按照GMP標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)化生產(chǎn)的SLS（選擇性激光燒結(jié)）專用粉末材料——生物可吸收Resomer材料PrintPowder。激光燒結(jié)技術(shù)也首次得以用于生產(chǎn)供臨床用、機械性能得到精確調(diào)節(jié)的復(fù)雜可生物吸收植入物。
3D打印帶來更高的設(shè)計自由度
圖 6：細(xì)胞在聚乳酸和聚己內(nèi)酯表面的附著情況（來源：贏創(chuàng)；圖片：? Hanser）
增材制造以其獨特的可能性，與當(dāng)前的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相補充。它減少了材料消耗，并開啟了前所未有的全新設(shè)計可能。如，贏創(chuàng)與美國FossiLabs公司的合作就證明了這一點，雙方共同開發(fā)出了特種軟件，用以打印具有特定的多孔結(jié)構(gòu)，骨組織能夠在3D打印的植入物（圖5）上生長，加速了術(shù)后骨組織向植入物內(nèi)的生長，就如脊柱手術(shù)的椎間盤置換或關(guān)節(jié)置換手術(shù)期望的那樣。
研究證實3D打印植入物的優(yōu)勢
瑞士巴塞爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象。在對FFF技術(shù)打印件進(jìn)行體外試驗時，研究人員發(fā)現(xiàn)，天然粗糙表面上的成骨細(xì)胞生長情況明顯更好：僅5天后，打印部件上的細(xì)胞活性就達(dá)到光滑部件上的兩倍，比噴砂部件上的細(xì)胞活性高3倍。這表明，通過選擇性地改變植入物的表面特性，可以加速身體的愈合過程。
可吸收材料的生物相容性給3D打印提出了特殊的挑戰(zhàn)，因為材料所包含的任何外來顆粒都會因其在體內(nèi)的降解而被釋放。與德國漢諾威大學(xué)的合作表明，用Resomer線材打印的植入物不具有細(xì)胞毒性，并能促進(jìn)細(xì)胞與表面的結(jié)合（圖6）。
圖 7 ：由 Kumovis 打印機打印的 Vestakeep（外 部）和 Resomer（內(nèi)部）材料制成的組合式脊柱固定器（椎間隙固定器）
通過組合不同的材料，例如將具有良好機械性能的耐久性材料Vestakeep與天然生物可吸收Resomer（圖7）材料相結(jié)合，為3D打印帶來了全新的可能。在這里，原材料生產(chǎn)商、打印機生產(chǎn)商和醫(yī)療器械公司之間的合作是關(guān)鍵。3D打印聚合物植入物已發(fā)展到臨床應(yīng)用的邊緣。由奧地利麥迪津尼斯大學(xué)（MedizinischeUniversity?tGraz）協(xié)調(diào)的CAMed（醫(yī)用臨床增材制造）研究項目（贏創(chuàng)公司也參與了該項目）正準(zhǔn)備完成世界上第一個在奧地利進(jìn)行的將3D打印PEEK植入人體的臨床研究。這也使得該項資金支持將持續(xù)到2022年10月的研究，成為常規(guī)使用的增材制造患者定制型植入物的重要一步。
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