La tecnologia di stampa 3D (3DP), nota anche come produzione additiva (AM), è una tecnologia che estrae i dati per ricostruire un modello 3D di computer e stampa gli oggetti strato per strato. Fornendo un'efficace modalità di combinazione, qualsiasi materiale può essere stampato in qualsiasi forma. Oggetti impilati. Questo vantaggio tecnico unico consente ai materiali di stampa 3D di simulare accuratamente la struttura dell'osso autogeno per un trattamento ortopedico preciso e personalizzato, portando l'ortopedia in una nuova era di personalizzazione individuale. I materiali degli impianti ortopedici stampati in 3D che sono stati messi in applicazione clinica includono principalmente polietere etere chetone organico (PEEK) e lega di titanio metallico. La lega di titanio ha una lunga storia di applicazione, elevata resistenza specifica, buona biocompatibilità e buona resistenza alla corrosione ed è attualmente ampiamente utilizzata. Altri materiali metallici come tantalio, lega di zinco, lega di magnesio, ecc. non sono stati ampiamente utilizzati. La stampa 3D di leghe di titanio può essere regolata con precisione e costruita rapidamente macroscopicamente e microscopicamente vicino agli impianti di tessuto osseo naturale. La stampa 3D è suddivisa in tre processi: primo, raccolta di dati di immagini 3D, costruzione di un modello tridimensionale digitale, ecc.; in secondo luogo, trasformando la polvere di lega di titanio e le citochine in "bio-inchiostro", e infine, utilizzando una stampante 3D biologica, secondo parametri ortopedici, per migliorare la struttura e le prestazioni del corpo biostampato, e infine gli impianti ortopedici che soddisfano i requisiti sono prodotto. Attualmente, è spesso utilizzato nella protesi dell'articolazione dell'anca, nella protesi dell'articolazione del ginocchio, nel corpo vertebrale artificiale, ecc. Nella pratica clinica. Ricles et al. ha riassunto le proporzioni di varie categorie di dispositivi medici stampati in 3D utilizzati negli Stati Uniti dal 2000, le leghe di titanio rappresentavano circa il 70% e le leghe di titanio stampate in 3D sono state a lungo mature e messe in uso sul mercato. In questo documento, i metodi di bioprinting, le caratteristiche e il progresso dell'applicazione clinica delle leghe di titanio stampate in 3D in ortopedia sono esaminati come segue.
Metodo di stampa 3D in lega di titanio
I principali metodi di stampa 3D includono la fusione laser selettiva, la stereolitografia, la fusione con fascio di elettroni e la tecnologia di stampa con stampaggio di polveri con ugelli, ecc. Tra questi, la tecnologia di fusione laser selettiva (SLM) e la tecnologia di fusione con fascio di elettroni (EBM) sono adatte per la stampa di leghe di titanio. La tecnologia EBM produce impianti applicando un fascio di elettroni magnetoconduttivi per fondere la polvere metallica strato dopo strato sotto alto vuoto. La precisione di stampaggio di EBM è leggermente peggiore, ma l'efficienza di stampaggio è elevata e non è richiesto alcun trattamento termico secondario, quindi è adatto per la produzione di impianti ortopedici. Attualmente, gli impianti ortopedici in lega di titanio sono per lo più preparati con la tecnologia EBM. La tecnologia SLM utilizza laser ottici ad alta potenza per fondere la polvere metallica in forme solide di impianti. SLM ha un'elevata precisione di stampaggio, ma l'efficienza di stampaggio è bassa e richiede un trattamento termico secondario. Presenta alcuni vantaggi nella produzione di impianti ortopedici fini e stampaggio di strutture complesse.
Proprietà delle leghe di titanio
Il componente principale della lega di titanio è Ti6Al4V, ampiamente utilizzato in ortopedia per le sue buone prestazioni. Strutturalmente, l'osso è composto principalmente da osso corticale esterno e osso spongioso interno, con moduli elastici di circa 0.5 GPa e 10-20 GPa, rispettivamente. Il modulo elastico della lega di titanio densa è di circa 110 GPa. Dopo la stampa 3D, il modulo elastico del materiale in lega di titanio è inferiore a quello della normale lega di titanio, che è più vicino alla struttura fisiologica dell'osso. La lega di titanio ha una buona biocompatibilità, è vantaggiosa per la crescita ossea e l'osteointegrazione ed è adatta per la preparazione di impianti ortopedici. La lega di titanio non è solo rigida, ma ha anche un'eccezionale flessibilità e una buona resistenza alla fatica. È adatto come supporto articolare e può sostituire altri materiali metallici. Le leghe di titanio sono insolubili in acidi forti e alcali e hanno ancora un'elevata resistenza specifica a 500 gradi, non sono tossiche per il corpo umano, hanno una buona stabilità chimica e sono adatte per l'impianto nel corpo umano. La lega di titanio ha una buona resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica e stabilità. Rispetto ad altri materiali metallici, il suo modulo elastico è più vicino a quello dell'osso, quindi è adatto per l'ortopedia.
Stato attuale dell'applicazione clinica della lega di titanio stampata in 3D in ortopedia
La lega di titanio stampata in 3D è stata ampiamente utilizzata nelle cliniche ortopediche, come la produzione di protesi artificiali, fissazione interna, fusione intervertebrale, piastra guida, osso trabecolare artificiale, ecc.
Applicazione della chirurgia della colonna vertebrale La chirurgia della colonna vertebrale è delicata e complessa e l'operazione è difficile. Nel tempo, la degenerazione dei segmenti adiacenti nel sito chirurgico e la scarsa mobilità del corpo vertebrale sono complicanze comuni della chirurgia del corpo vertebrale. La selezione di materiali implantari adatti al corpo vertebrale e il miglioramento delle complicanze sono problemi che devono essere risolti nella chirurgia spinale. La lega di titanio ha buone proprietà meccaniche e resistenza alla compressione e la tecnologia di stampa 3D viene utilizzata per personalizzare gli impianti, adatti alla chirurgia spinale. Il 19 agosto 2014, il team di Liu Zhongjun del Terzo Ospedale dell'Università di Pechino ha annunciato che l'asse di un 12-paziente di un anno con il sarcoma di Ewing è stato asportato e sostituito con un asse stampato in 3D, che supera la tradizionale gabbia in titanio tendenza ad affondare e indossare l'esofago anteriore. discordanza. Questo è il primo caso segnalato al mondo di utilizzo della tecnologia di stampa 3D per la sostituzione assiale della colonna vertebrale. Lu et al. hanno eseguito l'impianto di corpi vertebrali artificiali stampati in 3D su 15 pazienti che avrebbero dovuto essere sottoposti a chirurgia di fusione anteriore e hanno concluso attraverso il follow-up postoperatorio che l'utilizzo di questo preciso metodo di trattamento può ripristinare la struttura anatomica in misura maggiore e prevenire l'intervento chirurgico. post-complicanze. Con lo sviluppo della tecnologia di stampa 3D, sono state applicate clinicamente anche la prototipazione rapida integrata della lega di titanio combinata con la tecnologia di stampa 3D e la preparazione di gabbie di fusione intervertebrale personalizzate. Siu et al. ha utilizzato la lega di titanio stampata in 3D per trattare un paziente con frattura lombare osteoporotica. La fusione intervertebrale tradizionale non poteva corrispondere alla placca terminale deformata di questo paziente. La tecnologia di stampa 3D ha utilizzato la forma della piastra terminale come riferimento per preparare un paziente con un alto grado di corrispondenza. Dopo 6 mesi di follow-up, l'altezza intervertebrale è stata recuperata e non si sono verificate complicazioni come la deformazione del corpo vertebrale. L'accuratezza del posizionamento della vite peduncolare nella chirurgia spinale è molto importante, se il posizionamento della vite è impreciso, può causare danni ai tessuti e agli organi adiacenti. L'applicazione della piastra guida per la stampa 3D migliora il tasso di successo del posizionamento del chiodo, riduce il tasso di perforazione e il tasso di errore del posizionamento del chiodo, rende l'operazione più accurata e riduce le radiazioni causate dalla fluoroscopia del medico durante il processo di posizionamento del chiodo. L'applicazione di leghe di titanio stampate in 3D in corpi vertebrali artificiali, dispositivi di fusione intervertebrale e chirurgia ausiliaria di riparazione spinale ha migliorato la precisione del trattamento chirurgico e ridotto le complicanze chirurgiche.
Applicazione della chirurgia del trauma I pazienti sottoposti a chirurgia del trauma sono complessi e individuali e spesso i pazienti sono accompagnati da fratture multiple o fratture gravemente danneggiate e difficili da riparare. La lega di titanio ha un'elevata stabilità ed è adatta per la riparazione di fratture. Combinato con la tecnologia di stampa 3D, può essere utilizzato per il giudizio intuitivo e la simulazione preoperatoria in anticipo, il che favorisce l'implementazione accurata della pianificazione preoperatoria, migliorando così l'accuratezza e l'efficienza chirurgica, riducendo i tempi operativi e migliorando la prognosi. Kim et al. valutato l'efficacia delle placche in titanio bloccanti stampate in 3D e delle tradizionali placche in titanio bloccanti in pazienti con gravi fratture comminute del radio distale. I risultati hanno mostrato che le piastre di bloccaggio in titanio stampate in 3D avevano una forza simile alle tradizionali piastre di bloccaggio in titanio. Il design della morfologia della frattura e dell'anatomia ossea afferma la prospettiva di ricerca della stampa 3D nel trattamento delle fratture. Shuang et al. ha contato 13 pazienti con fratture intercondiloidee omerali, di cui 6 casi utilizzavano placche in titanio stampate in 3D e 7 casi utilizzavano placche in titanio tradizionali. I risultati hanno mostrato che l'applicazione di placche in titanio stampate in 3D può ridurre i tempi operativi e le complicazioni. L'applicazione della lega di titanio stampata in 3D nella chirurgia del trauma è più favorevole alla riparazione e alla guarigione delle fratture e migliora la prognosi.
Applicazione della chirurgia articolare La protesi articolare artificiale è un metodo efficace per il trattamento di gravi malattie articolari. La sostituzione dell'articolazione può migliorare significativamente i sintomi clinici e ripristinare la funzione. La lega di titanio ha una buona resistenza alla compressione e un'elevata resistenza all'usura ed è adatta per la preparazione di articolazioni artificiali ortopediche. Negli ultimi anni, la combinazione di lega di titanio e tecnologia di stampa 3D ha attirato sempre più attenzione per la preparazione personalizzata di impianti che corrispondono alle lesioni articolari. Ding Yujian et al. riportato un caso di revisione dell'anca nel 2019. Il paziente era stato sottoposto a riduzione a cielo aperto e fissazione interna due volte per "frattura del collo del femore sinistro". Ha subito la sostituzione dell'anca nel 2006 e la revisione nel 2019. Le condizioni fisiche del paziente e la storia di molteplici operazioni hanno reso l'operazione difficile e rischiosa. Al fine di migliorare il tasso di successo dell'operazione, il team chirurgico ha ottenuto i dati di imaging e li ha ricostruiti utilizzando la tecnologia di stampa 3D per stampare un modello coerente con il bacino del paziente e il modello stampato in 3D da sostituire. La protesi in lega di titanio è stata provata per garantire il regolare svolgimento dell'operazione. Li Juhong et al. utilizzato cuscinetti in lega di titanio stampati in 3D per riparare difetti ossei acetabolari complessi. Nessun allentamento della protesi è stato riscontrato nel follow-up postoperatorio e l'effetto curativo è stato affidabile. Un indicatore importante per valutare il successo della sostituzione articolare è se il dolore e altri sintomi sono migliorati dopo l'operazione e la qualità della vita è migliorata. L'applicazione della tecnologia di stampa 3D combinata con la lega di titanio per preparare gli impianti non solo ha le eccellenti caratteristiche delle leghe di titanio, ma anche gli impianti sono compatibili con i difetti articolari dei pazienti. Ha una buona compatibilità, riduce le complicanze come l'usura delle articolazioni e migliora la qualità della vita dei pazienti. Van et al. ha diviso 42 pazienti che necessitavano di riparazione acetabolare in due gruppi, un gruppo ha utilizzato materiali in lega di titanio poroso stampati in 3D, seguiti a 3 mesi, 6 mesi e 9 mesi dopo l'intervento chirurgico e ha scoperto che il gruppo di osservazione ha seguito Rispetto al gruppo di controllo, il Il punteggio SF-36 era significativamente più alto e il punteggio VAS era significativamente più basso, indicando che il gruppo di stampa 3D aveva un effetto curativo migliore. Zhang et al. lega di titanio stampata in 3D applicata per ricostruire l'osso trabecolare per il trattamento dell'osteonecrosi precoce della testa del femore. Per valutare la funzione dell'articolazione dell'anca, sono stati utilizzati l'Harris score postoperatorio e la scala analogica visiva del dolore (VAS). Durante il follow-up di 24-mesi, il punteggio di Harris postoperatorio è aumentato significativamente e il punteggio VAS è diminuito significativamente a 12 mesi dall'operazione. Con l'aggravarsi della necrosi della testa del femore, il punteggio di Harris è leggermente diminuito e il punteggio VAS è leggermente aumentato. I tassi di miglioramento postoperatorio sono stati del 100% per lo stadio ARCO IIA, del 70% per lo stadio IIB e dello 0% per lo stadio IIC. Il tasso di conservazione dell'anca era del 100% per lo stadio IIA, del 100% per lo stadio IIB e del 50% per lo stadio IIC. I risultati mostrano che il metodo di trattamento della lega di titanio con stampa 3D ha un effetto soddisfacente sulla necrosi precoce della testa del femore e i sintomi clinici sono alleviati.
Applicazione della chirurgia dei tumori ossei La chirurgia dei tumori ossei richiede spesso la preparazione di protesi per sostituire parte degli arti. L'applicazione di leghe di titanio stampate in 3D ha un'elevata stabilità e una buona plasticità ed è adatta per la preparazione dell'impianto. Meno complicanze postoperatorie sono più favorevoli alla riparazione postoperatoria dei tumori ossei. Nel 2020, Lin Yunzhi et al. riportato un caso di tumore osseo a cellule giganti che ha applicato la tecnologia di stampa 3D prima e durante l'operazione. I dati di imaging sono stati raccolti prima dell'operazione ed è stato realizzato un modello di stampa 3D per l'osservazione intuitiva. Protesi stampate in 3D con buoni risultati. Dal 2017 al 2019, Lei Qing et al. ha utilizzato una piastra guida stampata in 3D combinata con osso trabecolare in lega di titanio stampato in 3D per trattare 2 casi di pazienti con tumori della diafisi omerale. Il follow-up è stato effettuato dopo l'operazione. Tra questi, 1 caso ha avuto buoni risultati di follow-up e l'altro caso ha avuto un buon follow-up dopo l'operazione. La protesi si è allentata a 14 mesi ed è stata nuovamente rinforzata chirurgicamente. Il follow-up fino a 34 mesi dopo l'intervento non ha mostrato ridislocamento della protesi. Wang et al. ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D per stampare protesi e le ha applicate a 11 pazienti con tumori pelvici. L'effetto postoperatorio è stato buono e non è stato riscontrato alcun allentamento della protesi. Nel 2019, Feng ha riportato un caso di resezione radicale del fibroblastoma tibiale e l'uso della lega di titanio stampata in 3D per salvare l'arto. La protesi è stata seguita per 1 anno e non è stato riscontrato alcun allentamento della protesi. Secondo il punteggio MSTS, il recupero della funzione è stato del 86,7 percento . C'è una buona integrazione tra il corpo e l'osso del paziente. L'applicazione di impianti in lega di titanio stampati in 3D nella chirurgia dei tumori ossei può ottenere ricostruzioni anatomiche più accurate, accelerare il recupero dei pazienti e ottenere migliori risultati chirurgici.
Miglioramento tecnico della lega di titanio stampata in 3D
La lega di titanio combinata con la tecnologia di stampa 3D è in grado di simulare al massimo la struttura ossea autologa e le dimensioni microscopiche dei pori, la porosità e la forma dei pori influiranno sulla biocompatibilità del materiale. La letteratura esistente mostra che le conclusioni della ricerca sulla dimensione ottimale dei pori delle leghe di titanio stampate in 3D non sono completamente coerenti. Gli studi di Peng et al. hanno dimostrato che la porosità delle leghe di titanio stampate in 3D è compresa tra il 60,95% e l'81,23% e la dimensione dei pori è compresa tra 480 e 685 μm, che è adatta per gli impianti ortopedici. Tra 265μm, il modulo di Young è compreso tra 2.23-6.36Gpa, la resistenza allo snervamento è 21.36-122.85Mpa e ha un buon modulo elastico e resistenza. Li et al. ha studiato la biocompatibilità di tre gruppi di leghe di titanio stampate in 3D con dimensioni dei pori di 300-400 μm, 400-500 μm e 500-700 μm, e infine ha dimostrato che i materiali con dimensioni dei pori comprese tra {{2{ {34}}}} μm hanno una biocompatibilità significativamente migliore nei restanti due gruppi. Taniguchi et al. ha realizzato un modello di difetto tibiale di coniglio e ha utilizzato tre gruppi di leghe di titanio porose di 300, 600 e 900 μm per l'impianto. I risultati hanno mostrato che l'effetto di crescita ossea del gruppo da 600 μm era il migliore. Cheng et al. fatto (15,0 ± 2,9) percento, (37,9 ± 4,0) percento, (70,0 ± 3,5) percento tre tipi di materiali porosi in lega di titanio, cellule staminali mesenchimali del midollo osseo inoculate, i risultati hanno mostrato che le cellule nel gruppo del 70 percento sono cresciute di più vigorosamente. Ciò è coerente con i risultati di Tamaddon et al. Inoltre, gli studi hanno dimostrato che i materiali in lega di titanio con superfici ruvide favoriscono maggiormente la crescita degli osteoblasti. Resta da esplorare la dimensione ottimale dei pori degli impianti. L'applicazione della lega di titanio per la stampa 3D può continuare a essere migliorata, aggiungendo diversi componenti per l'ottimizzazione in base alla situazione reale dei pazienti. Per le infezioni chirurgiche ortopediche, le leghe di titanio stampate in 3D possono essere combinate con argento, zinco, rame e altri metalli antibatterici attraverso la tecnologia di modifica della superficie. I metodi di introduzione includono principalmente l'introduzione di materiali sotto forma di leghe e l'introduzione sotto forma di modifica superficiale. I metodi includono: ossidazione del micro-arco, modifica elettrochimica, sputtering del magnetron, metodo di spruzzatura, tecnologia della fotolitografia della nanosfera, ecc. Per la non guarigione della ferita dopo la chirurgia ortopedica, è possibile introdurre componenti osteoinduttivi per accelerare la velocità di guarigione. Per diversi pazienti, l'introduzione di diversi componenti, la tecnologia migliorata della lega di titanio di stampa 3D può migliorare ulteriormente la guarigione e realizzare un trattamento personalizzato per i pazienti.
Riepilogo e prospettive
La tecnologia di stampa 3D presenta i grandi vantaggi di una personalizzazione personalizzata e precisa. In combinazione con le eccellenti caratteristiche della lega di titanio, può essere personalizzato in base alla struttura ossea originale del paziente e può essere prodotto un impianto coerente con la propria forma ossea e simile nella microstruttura. Vantaggi Massimizzare il ripristino della biomeccanica, accorciare il processo di riadattamento dei tessuti molli, ottenere una migliore crescita ossea e ottenere una guarigione ossea più rapida. Anche l'attuale applicazione clinica della tecnologia di stampa 3D ha i suoi limiti: (1) La stampa 3D accurata e personalizzata dipende troppo dai dati di imaging, che richiedono un'accuratezza estremamente elevata dei dati di imaging. Influenzare l'implementazione dei materiali di stampa 3D. (2) La raccolta di dati di immagini e la stampa 3D in lega di titanio richiede stampanti 3D, supporto per TC, apparecchiature per risonanza magnetica, materiali in lega di titanio, sistemi di modellazione e software e il costo dei materiali è elevato, il che è insopportabile per alcuni pazienti; l'investimento e l'uso di attrezzature richiede che medici e ingegneri cooperino tra loro, si coordinino e partecipino tra più discipline; attualmente, a causa di limitazioni tecniche, il ciclo produttivo è lungo e la chirurgia d'urgenza è di difficile applicazione. (3) In termini di produzione di impianti ortopedici, le proprietà meccaniche ottimali, il grado di degradazione, la dimensione dei pori e la dimensione del vuoto delle leghe di titanio stampate in 3D necessitano ancora di ulteriori ricerche; (4) L'effetto a breve termine delle leghe di titanio stampate in 3D è soddisfacente, ma a causa del breve tempo di applicazione, mancano ancora i risultati del follow-up a lungo termine e la gestione delle complicanze.
Negli ultimi anni, la tecnologia di stampa 3D ha compiuto notevoli progressi in campo medico. Nello specifico, la stampa 3D delle leghe di titanio ha rivoluzionato il modo in cui ci approcciamo agli studi ortopedici. In questo articolo esploreremo le varie applicazioni cliniche delle leghe di titanio stampate in 3D in ortopedia.
Innanzitutto, la tecnologia di stampa 3D consente la fabbricazione di impianti personalizzati specificamente adattati all'anatomia unica di un paziente. Ciò migliora notevolmente i risultati chirurgici, riduce il rischio di complicanze e accorcia i tempi di recupero. Ad esempio, i chirurghi possono ora utilizzare protesi d'anca in titanio stampate in 3D con superfici porose che promuovono la crescita ossea, il che può ridurre notevolmente il rischio di lussazione.
Inoltre, le leghe di titanio stampate in 3D possono essere utilizzate per creare guide di taglio specifiche per il paziente che aiutano i chirurghi a tagliare con precisione le ossa durante l'intervento chirurgico. Ciò non solo migliora la sicurezza e l'accuratezza della procedura, ma assicura anche che i tessuti circostanti siano preservati, riducendo il rischio di complicanze post-operatorie.
Inoltre, la tecnologia di stampa 3D ha ampliato le possibilità per il trattamento di fratture ossee complesse. Ad esempio, le piastre e le viti in lega di titanio stampate in 3D possono essere personalizzate per adattarsi alla struttura ossea unica di un paziente. Ciò consente una fissazione più stabile della frattura, migliorando il risultato e riducendo la necessità di ulteriori interventi chirurgici.
Infine, l'uso della stampa 3D in ortopedia ha il potenziale per ridurre i costi sanitari. Combinando impianti personalizzati, guide di taglio e strumentazione chirurgica in un unico intervento, è possibile ridurre il tempo operatorio ei costi associati.
In conclusione, i progressi nella tecnologia di stampa 3D hanno notevolmente migliorato l'applicazione clinica delle leghe di titanio in ortopedia. Gli impianti personalizzati, le guide di taglio e la strumentazione chirurgica hanno rivoluzionato il settore. Il futuro sembra luminoso in questo settore e possiamo aspettarci ulteriori sviluppi nell'uso della stampa 3D in ortopedia. sebbene ci siano ancora molti problemi da risolvere con urgenza nella tecnologia della lega di titanio per la stampa 3D, questa tecnologia presenta vantaggi unici, coerenti con il concetto di medicina di precisione attualmente sostenuto e ha un grande valore di ricerca nel campo dell'ortopedia. Si ritiene che con il continuo e approfondito sviluppo della tecnologia, la lega di titanio stampata in 3D possa superare le sue attuali carenze e produrre un salto di qualità.
