La tecnologia d'impressió 3D (3DP), també coneguda com a fabricació additiva (AM), és una tecnologia que extreu dades per reconstruir un model 3D d'ordinador i imprimeix objectes capa per capa. En proporcionar un mode de combinació eficaç, qualsevol material es pot imprimir de qualsevol forma. Objectes apilats. Aquest avantatge tècnic únic permet que els materials d'impressió 3D simulin amb precisió l'estructura de l'os autògen per a un tractament ortopèdic precís i personalitzat, portant l'ortopèdia a una nova era de personalització individual. Els materials dels implants ortopèdics impresos en 3D que s'han posat en aplicació clínica inclouen principalment polièter etèter cetona orgànica (PEEK) i aliatge de titani metàl·lic. L'aliatge de titani té una llarga història d'aplicació, una alta resistència específica, una bona biocompatibilitat i una bona resistència a la corrosió, i actualment s'utilitza àmpliament. Altres materials metàl·lics com el tàntal, l'aliatge de zinc, l'aliatge de magnesi, etc. no s'han utilitzat àmpliament. La impressió 3D d'aliatges de titani es pot regular amb precisió i es pot construir ràpidament macroscòpicament i microscòpicament a prop dels implants de teixit ossi natural. La impressió 3D es divideix en tres processos: primer, la recollida de dades d'imatge 3D, la construcció d'un model digital tridimensional, etc.; en segon lloc, convertir la pols d'aliatge de titani i les citocines en "bio-tinta" i, finalment, utilitzar una impressora 3D biològica, segons paràmetres ortopèdics, per millorar l'estructura i el rendiment del cos bioimpreso i, finalment, els implants ortopèdics que compleixen els requisits són produït. Actualment, s'utilitza sovint en pròtesis d'articulació de maluc, pròtesis d'articulació de genoll, cos vertebral artificial, etc. en la pràctica clínica. Ricles et al. va resumir les proporcions de diverses categories de dispositius mèdics impresos en 3D utilitzats als Estats Units des de l'any 2000, els aliatges de titani representaven al voltant del 70 per cent, i els aliatges de titani impresos en 3D han estat madurs i s'utilitzen al mercat. En aquest article, es revisen els mètodes de bioimpressió, les característiques i el progrés de l'aplicació clínica dels aliatges de titani impresos en 3D en ortopèdia de la següent manera.
Mètode d'impressió d'aliatge de titani 3D
Els principals mètodes d'impressió 3D inclouen la fusió làser selectiva, l'estereolitografia, la fusió del feix d'electrons i la tecnologia d'impressió d'emmotllament de pols de broquets, etc. Entre ells, la tecnologia de fusió làser selectiva (SLM) i la tecnologia de fusió de feix d'electrons (EBM) són adequades per a la impressió d'aliatge de titani. La tecnologia EBM fabrica implants aplicant un feix d'electrons magnetoconductor per fondre pols metàl·lica capa per capa sota alt buit. La precisió d'emmotllament de l'EBM és lleugerament pitjor, però l'eficiència d'emmotllament és alta i no es requereix cap tractament tèrmic secundari, de manera que és adequat per a la fabricació d'implants ortopèdics. Actualment, els implants ortopèdics d'aliatge de titani es preparen principalment mitjançant la tecnologia EBM. La tecnologia SLM utilitza làsers òptics d'alta potència per fusionar pols metàl·lica en formes d'implant sòlides. SLM té una alta precisió d'emmotllament, però l'eficiència d'emmotllament és baixa i requereix un tractament tèrmic secundari. Té certs avantatges en la producció d'implants ortopèdics fins i modelatge d'estructures complexes.
Propietats dels aliatges de titani
El component principal de l'aliatge de titani és Ti6Al4V, que s'utilitza àmpliament en ortopèdia a causa del seu bon rendiment. Estructuralment, l'os es compon principalment d'os cortical extern i d'os esponjoso intern, amb mòduls elàstics d'aproximadament 0,5 GPa i 10-20 GPa, respectivament. El mòdul elàstic de l'aliatge de titani dens és d'uns 110 GPa. Després de la impressió 3D, el mòdul elàstic del material d'aliatge de titani és inferior al de l'aliatge de titani normal, que s'acosta més a l'estructura fisiològica de l'os. L'aliatge de titani té una bona biocompatibilitat, és beneficiós per al creixement intern i l'osteointegració òssia i és adequat per a la preparació d'implants ortopèdics. L'aliatge de titani no només és rígid, sinó que també té una flexibilitat excepcional i una bona resistència a la fatiga. És adequat com a suport d'articulació i pot substituir altres materials metàl·lics. Els aliatges de titani són insolubles en àcids i àlcalis forts, i encara tenen una alta resistència específica a 500 graus, no són tòxics per al cos humà, tenen una bona estabilitat química i són adequats per a la implantació al cos humà. L'aliatge de titani té una bona resistència a la corrosió, resistència a la fatiga i estabilitat. En comparació amb altres materials metàl·lics, el seu mòdul elàstic és més proper al de l'os, per la qual cosa és adequat per a ortopèdia.
Estat actual de l'aplicació clínica de l'aliatge de titani imprès en 3D en ortopèdia
L'aliatge de titani d'impressió 3D s'ha utilitzat àmpliament a les clíniques ortopèdiques, com ara la producció de pròtesis artificials, fixació interna, fusió intervertebral, placa guia, os trabecular artificial, etc.
Aplicació de la cirurgia de la columna La cirurgia de la columna és delicada i complexa, i l'operació és difícil. Amb el temps, la degeneració dels segments adjacents al lloc quirúrgic i la poca mobilitat del cos vertebral són complicacions habituals de la cirurgia del cos vertebral. La selecció de materials d'implant adequats per al cos vertebral i la millora de les complicacions són problemes que cal resoldre en la cirurgia de la columna. L'aliatge de titani té bones propietats mecàniques i resistència a la compressió, i la tecnologia d'impressió 3D s'utilitza per personalitzar els implants, que són adequats per a la cirurgia de la columna vertebral. El 19 d'agost de 2014, l'equip de Liu Zhongjun del Tercer Hospital de la Universitat de Pequín va anunciar que l'eix d'un pacient de 12-anys amb sarcoma d'Ewing va ser resecat i substituït per un eix imprès en 3D, que supera la tradicional gàbia de titani. tendència a enfonsar-se i desgastar l'esòfag frontal. mancança. Aquest és el primer cas informat al món d'utilitzar tecnologia d'impressió 3D per a la substitució de la columna axial. Lu et al van realitzar la implantació de cos vertebral artificial imprès en 3D a 15 pacients que haurien d'haver estat sotmesos a una cirurgia de fusió anterior i van concloure, mitjançant el seguiment postoperatori, que l'ús d'aquest mètode de tractament precís pot restaurar l'estructura anatòmica en major mesura i prevenir la cirurgia. postcomplicacions. Amb el desenvolupament de la tecnologia d'impressió 3D, també s'ha aplicat clínicament el prototipat ràpid integrat d'aliatge de titani combinat amb la tecnologia d'impressió 3D i la preparació de gàbies de fusió intervertebral personalitzades. Siu et al. va utilitzar un aliatge de titani d'impressió 3D per tractar un pacient amb fractura lumbar osteoporòtica. La fusió intervertebral tradicional no podia coincidir amb la placa terminal deformada d'aquest pacient. La tecnologia d'impressió 3D va utilitzar la forma de la placa final com a referència per preparar un pacient amb un alt grau de concordança. Després de 6 mesos de seguiment, l'alçada intervertebral es va recuperar i no hi va haver complicacions com ara la deformació del cos vertebral. La precisió de la col·locació del cargol pedicular en la cirurgia de la columna és molt important, si la col·locació del cargol és inexacta, pot causar danys als teixits i òrgans adjacents. L'aplicació de la placa guia d'impressió 3D millora la taxa d'èxit de la col·locació de les ungles, redueix la taxa de perforació i la taxa d'error de la col·locació de les ungles, fa que l'operació sigui més precisa i redueix la radiació causada per la fluoroscòpia del metge durant el procés de col·locació de les ungles. L'aplicació d'aliatges de titani impresos en 3D en cossos vertebrals artificials, dispositius de fusió intervertebral i cirurgia auxiliar de reparació de la columna vertebral ha millorat la precisió del tractament quirúrgic i ha reduït les complicacions quirúrgiques.
Aplicació de la cirurgia de trauma Els pacients de cirurgia de trauma són complexos i individuals, i sovint els pacients van acompanyats de múltiples fractures o fractures greument danyades i difícils de reparar. L'aliatge de titani té una alta estabilitat i és adequat per a la reparació de fractures. Combinat amb la tecnologia d'impressió 3D, es pot utilitzar per a un judici intuïtiu i una simulació preoperatòria per avançat, cosa que afavoreix la implementació precisa de la planificació preoperatòria, millorant així la precisió i l'eficiència quirúrgicas, escurçant el temps d'operació i millorant el pronòstic. Kim et al. va avaluar l'eficàcia de les plaques de titani de bloqueig impreses en 3D i les plaques de titani de bloqueig tradicionals en pacients amb fractures conminutes greus del radi distal. Els resultats van mostrar que les plaques de titani de bloqueig impreses en 3D tenien una força similar a les plaques de titani de bloqueig tradicionals. El disseny de la morfologia de la fractura i l'anatomia òssia afirma la perspectiva de recerca de la impressió 3D en el tractament de fractures. Shuang et al. van comptar 13 pacients amb fractures intercondil·lars humerals, dels quals 6 casos utilitzaven plaques de titani impreses en 3D i 7 casos utilitzaven plaques de titani tradicionals. Els resultats van demostrar que l'aplicació de plaques de titani impreses en 3D pot escurçar el temps d'operació i reduir les complicacions. L'aplicació de l'aliatge de titani imprès en 3D en cirurgia de trauma és més propici per a la reparació i la curació de fractures i millora el pronòstic.
Aplicació de la cirurgia articular La substitució d'articulacions artificials és un mètode eficaç per tractar malalties greus de les articulacions. La substitució de les articulacions pot millorar significativament els símptomes clínics i restaurar la funció. L'aliatge de titani té una bona resistència a la compressió i una alta resistència al desgast, i és adequat per a la preparació d'articulacions artificials ortopèdiques. En els últims anys, la combinació de l'aliatge de titani i la tecnologia d'impressió 3D ha cridat cada cop més l'atenció per a la preparació personalitzada d'implants que coincideixen amb les lesions articulars. Ding Yujian et al. va informar d'un cas de revisió de maluc el 2019. El pacient s'havia sotmès a reducció oberta i fixació interna dues vegades per "fractura de coll femoral esquerre". El 2006 es va sotmetre a una reposició de maluc i la revisió el 2019. L'estat físic del pacient i els antecedents de múltiples operacions van fer que l'operació fos difícil i arriscada. Per tal de millorar la taxa d'èxit de l'operació, l'equip quirúrgic va obtenir dades d'imatge i les va reconstruir mitjançant la tecnologia d'impressió 3D per imprimir un model coherent amb la pelvis del pacient i el model imprès en 3D a substituir. La pròtesi d'aliatge de titani ha estat assajada per garantir el bon progrés de l'operació. Li Juehong et al. va utilitzar coixinets d'aliatge de titani impresos en 3D per reparar complexos defectes ossis acetabulars. No es va trobar cap afluiment de la pròtesi en el seguiment postoperatori i l'efecte curatiu va ser fiable. Un indicador important per avaluar l'èxit de la substitució articular és si el dolor i altres símptomes milloren després de l'operació i la qualitat de vida. L'aplicació de la tecnologia d'impressió 3D combinada amb l'aliatge de titani per preparar implants no només té les excel·lents característiques dels aliatges de titani, sinó que també els implants són compatibles amb els defectes articulars dels pacients. Té una bona compatibilitat, redueix complicacions com el desgast de les articulacions i millora la qualitat de vida dels pacients. Wan et al. va dividir 42 pacients que necessitaven reparació acetabular en dos grups, un grup va utilitzar materials d'aliatge de titani porós impresos en 3D, va fer un seguiment als 3 mesos, 6 mesos i 9 mesos després de la cirurgia i va trobar que el grup d'observació va seguir En comparació amb el grup de control, el La puntuació SF-36 va ser significativament més alta i la puntuació VAS va ser significativament més baixa, cosa que indica que el grup d'impressió 3D va tenir un millor efecte curatiu. Zhang et al. aplicat l'aliatge de titani d'impressió 3D per reconstruir l'os trabecular per tractar l'osteonecrosi precoç del cap femoral. Per avaluar la funció de l'articulació del maluc, es van utilitzar la puntuació de Harris postoperatòria i l'escala analògica visual del dolor (EVA). Durant el 24-mes de seguiment, la puntuació de Harris postoperatòria va augmentar significativament i la puntuació VAS va disminuir significativament als 12 mesos després de l'operació. Amb l'agreujament de la necrosi del cap femoral, la puntuació de Harris va disminuir lleugerament i la puntuació VAS va augmentar lleugerament. Les taxes de millora postoperatòria van ser del 100% per a l'etapa ARCO IIA, del 70% per a l'etapa IIB i del 0% per a l'etapa IIC. La taxa de preservació del maluc va ser del 100 per cent per a l'etapa IIA, del 100 per cent per a l'etapa IIB i del 50 per cent per a l'etapa IIC. Els resultats mostren que el mètode de tractament d'aliatge de titani d'impressió 3D té un efecte satisfactori sobre la necrosi primerenca del cap femoral i s'alleugen els símptomes clínics.
Aplicació de la cirurgia del tumor ossi La cirurgia del tumor ossi requereix sovint la preparació de pròtesis per substituir part de les extremitats. L'aplicació d'aliatges de titani impresos en 3D té una alta estabilitat i bona plasticitat, i és adequada per a la preparació d'implants. Menys complicacions postoperatòries afavoreixen la reparació postoperatòria dels tumors ossis. El 2020, Lin Yunzhi et al. va informar d'un cas de tumor de cèl·lules gegants d'os que va aplicar la tecnologia d'impressió 3D abans i durant l'operació. Es van recollir dades d'imatge abans de l'operació i es va fer un model d'impressió 3D per a una observació intuïtiva. Implants impresos en 3D amb bons resultats. Del 2017 al 2019, Lei Qing et al. va utilitzar una placa guia impresa en 3D combinada amb un os trabecular d'aliatge de titani imprès en 3D per tractar 2 casos de pacients amb tumors de l'eix humeral. Es va fer un seguiment després de l'operació. Entre ells, 1 cas va tenir bons resultats de seguiment i l'altre cas va tenir un bon seguiment després de l'operació. La pròtesi es va afluixar als 14 mesos i es va tornar a reforçar amb cirurgia. El seguiment fins a 34 mesos després de l'operació no va mostrar cap re-desplaçament de la pròtesi. Wang et al. va utilitzar la tecnologia d'impressió 3D per imprimir pròtesis i les va aplicar a 11 pacients amb tumors pèlvics. L'efecte postoperatori va ser bo i no es va trobar afluixament de pròtesis. El 2019, Feng va informar d'un cas de resecció radical de fibroblastoma tibial i l'ús d'aliatge de titani imprès en 3D per salvar l'extremitat. Es va fer un seguiment de la pròtesi durant 1 any i no es va trobar cap afluiment de la pròtesi. Segons la puntuació MSTS, la recuperació de la funció va ser del 86,7 per cent. Hi ha una bona integració entre el cos i l'os del pacient. L'aplicació d'implants d'aliatge de titani impresos en 3D en cirurgia de tumors ossis pot obtenir una reconstrucció anatòmica més precisa, accelerar la recuperació dels pacients i aconseguir millors resultats quirúrgics.
Millora tècnica de l'aliatge de titani d'impressió 3D
L'aliatge de titani combinat amb la tecnologia d'impressió 3D pot simular l'estructura òssia autòloga en la major mesura, i la seva mida de porus microscòpica, porositat i forma de porus afectaran la biocompatibilitat del material. La literatura existent mostra que les conclusions de la investigació sobre la mida òptima dels porus dels aliatges de titani impresos en 3D no són del tot coherents. Estudis de Peng et al. han demostrat que la porositat dels aliatges de titani impresos en 3D està entre el 60,95% i el 81,23%, i la mida dels porus està entre 480 i 685 μm, que és adequat per a implants ortopèdics. Entre 265 μm, el mòdul de Young es troba entre 2,23-6,36Gpa, el límit elàstic és de 21,36-122,85Mpa i té un bon mòdul elàstic i força. Li et al. va estudiar la biocompatibilitat de tres grups d'aliatges de titani impresos en 3D amb mides de porus de 300-400 μm, 400-500 μm i 500-700 μm, i finalment va demostrar que els materials amb mides de porus entre {{2{{ {34}}}} μm tenen una biocompatibilitat significativament millor en els dos grups restants. Taniguchi et al. va fer un model de defecte tibial de conill i va utilitzar tres grups d'aliatges de titani porosos de 300, 600 i 900 μm per a la implantació. Els resultats van mostrar que l'efecte de creixement ossi del grup de 600 μm va ser el millor. Cheng et al. fet (15,0 ± 2,9) per cent, (37,9 ± 4,0) per cent, (70,0 ± 3,5) per cent tres tipus de materials d'aliatge de titani porós, cèl·lules mare mesenquimals de medul·la òssia inoculades, els resultats van mostrar que les cèl·lules del grup del 70 per cent van créixer més. vigorosament. Això és coherent amb les troballes de Tamaddon et al. A més, els estudis han demostrat que els materials d'aliatge de titani amb superfícies rugoses són més propicis per al creixement dels osteoblasts. Queda per explorar la mida òptima dels porus dels implants. L'aplicació de l'aliatge de titani d'impressió 3D es pot seguir millorant, afegint diferents components per a l'optimització segons la situació real dels pacients. Per a infeccions quirúrgiques ortopèdiques, els aliatges de titani impresos en 3D es poden combinar amb plata, zinc, coure i altres metalls antibacterians mitjançant la tecnologia de modificació de superfícies. Els mètodes d'introducció inclouen principalment la introducció de materials en forma d'aliatges i la introducció en forma de modificació superficial. Els mètodes inclouen: oxidació de micro-arc, modificació electroquímica, polverització de magnetrons, mètode de polvorització, tecnologia de fotolitografia de nanosfera, etc. Per a la no curació de ferides després de la cirurgia ortopèdica, es poden introduir components osteoinductors per accelerar la velocitat de curació. Per a diferents pacients, la introducció de diferents components, la tecnologia millorada de l'aliatge de titani d'impressió 3D pot millorar encara més la curació i realitzar un tractament personalitzat per als pacients.
Resum i perspectives
La tecnologia d'impressió 3D té els grans avantatges d'una personalització personalitzada i precisa. Combinat amb les excel·lents característiques de l'aliatge de titani, es pot personalitzar segons l'estructura òssia original del pacient, i es pot fabricar un implant que sigui coherent amb la seva pròpia forma òssia i una microestructura similar. Avantatges Maximitzar la restauració de la biomecànica, escurçar el procés de readaptació dels teixits tous, aconseguir un millor creixement ossi i una cicatrització òssia més ràpida. L'aplicació clínica actual de la tecnologia d'impressió 3D també té les seves limitacions: (1) La impressió 3D precisa i personalitzada depèn massa de les dades d'imatge, que requereixen una precisió extremadament alta de les dades d'imatge. Influir en la implementació de materials d'impressió 3D. (2) La recollida de dades d'imatge i la impressió d'aliatge de titani en 3D requereixen impressores 3D, compatibles amb TC, equips de ressonància magnètica, materials d'aliatge de titani, sistemes de modelatge i programari, i el cost dels materials és elevat, cosa que és insuportable per a alguns pacients; la inversió i l'ús d'equips requereix que metges i enginyers cooperin entre ells, coordinen i participin entre múltiples disciplines; actualment, per limitacions tècniques, el cicle de producció és llarg, i la cirurgia d'urgència és difícil d'aplicar. (3) Pel que fa a la fabricació d'implants ortopèdics, les propietats mecàniques òptimes, el grau de degradació, la mida dels porus i la mida del buit dels aliatges de titani impresos en 3D encara necessiten més investigacions; (4) L'efecte a curt termini dels aliatges de titani impresos en 3D és satisfactori, però a causa del curt temps d'aplicació, encara falten resultats de seguiment a llarg termini i gestió de complicacions.
En els últims anys, la tecnologia d'impressió 3D ha avançat notablement en l'àmbit mèdic. Concretament, la impressió 3D d'aliatges de titani ha revolucionat la manera d'abordar les cirurgies ortopèdiques. En aquest article, explorarem les diverses aplicacions clíniques dels aliatges de titani impresos en 3D en ortopèdia.
En primer lloc, la tecnologia d'impressió 3D permet la fabricació d'implants personalitzats que s'adapten específicament a l'anatomia única d'un pacient. Això millora molt els resultats quirúrgics, redueix el risc de complicacions i escurça els temps de recuperació. Per exemple, els cirurgians ara poden utilitzar implants de maluc de titani impresos en 3D amb superfícies poroses que afavoreixen el creixement ossi, cosa que pot reduir considerablement el risc de luxació.
A més, els aliatges de titani impresos en 3D es poden utilitzar per crear guies de tall específiques per al pacient que ajudin els cirurgians a tallar els ossos amb precisió durant la cirurgia. Això no només millora la seguretat i la precisió del procediment, sinó que també garanteix que els teixits circumdants es conserven, reduint el risc de complicacions postoperatòries.
A més, la tecnologia d'impressió 3D ha ampliat les possibilitats per al tractament de fractures òssies complexes. Per exemple, les plaques i els cargols d'aliatge de titani impresos en 3D es poden personalitzar per adaptar-se a l'estructura òssia única d'un pacient. Això permet una fixació més estable de la fractura, millorant el resultat i reduint la necessitat de cirurgies addicionals.
Finalment, l'ús de la impressió 3D en ortopèdia té el potencial de reduir els costos sanitaris. Combinant implants personalitzats, guies de tall i instrumentació quirúrgica en una sola cirurgia, es pot reduir el temps operatiu, juntament amb els costos associats.
En conclusió, els avenços en la tecnologia d'impressió 3D han millorat molt l'aplicació clínica dels aliatges de titani en ortopèdia. Els implants personalitzats, les guies de tall i la instrumentació quirúrgica han revolucionat el camp. El futur sembla brillant en aquesta àrea, i podem esperar més desenvolupaments en l'ús de la impressió 3D en ortopèdia. tot i que encara hi ha molts problemes per resoldre amb urgència en la tecnologia d'aliatge de titani d'impressió 3D, aquesta tecnologia té avantatges únics, que és coherent amb el concepte de medicina de precisió que es defensa actualment i té un gran valor de recerca en el camp de l'ortopèdia. Es creu que amb el desenvolupament continu i profund de la tecnologia, l'aliatge de titani d'impressió 3D pot superar les seves deficiències actuals i produir un salt qualitatiu.
