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刘忠军:3D打印出来的内置物能解决临床大问题

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2019年05月23日浏览:1524

今年两会期间,全国人大代表、北医三院大外科主任刘忠军教授一如既往地随身携带几块3D打印的骨关节。只要有机会,他就拿出这几块骨关节,不厌其烦地向记者、与会代表们讲述3D打印微孔钛合金内植物研究的最新进展。

刘忠军:3D打印出来的内置物能解决临床大问题

“这些3D打印出来的内置物能解决临床大问题,实实在在解决老百姓痛苦”谈及如此执着于3D打印技术的原因,刘忠军如是说。

在刘忠军看来,3D打印技术对伤病造成的巨大骨缺损问题,解决了两方面问题。首先是解决了骨缺损修复重建术中内植物的个体化定制;内植物可被加工成微孔结构以供骨组织长入。微孔结构内长入骨组织就意味内植物可以与相邻骨骼实现有效融合,这一特性在骨科疾病治疗中至关重要。

袁先生是一位嵴索瘤患者。慕名到北医三院就医时,肿瘤已侵占胸腰椎T10-L2后方椎板与附件结构,以及前方的5节椎体,肿瘤侵占的跨度之大实属罕见。要摘除瘤体,就会造成10余厘米大跨度骨缺损,找到合适的替代骨一时成为世界级难题。

自西医骨科学建立以来,骨缺损的修复一直沿用骨组织移植并最终通过相邻宿主骨与移植骨连接,然后逐渐替代移植骨而最终完成骨修复和整合。或使用近年研发的“人工骨”(多为羟基磷灰石、硫酸钙等材料)。然而,对于巨大骨缺损,上述修复过程长达数月、甚至数年,并且因植入骨的即刻稳定性差,致使在漫长的骨修复期间患者丧失正常生活和工作的能力。此外,用以作为骨修复材料的骨组织来源有限且存在弊端,采用自体取骨会对患者造成新的创伤,采用异体骨有疾病传染之虑,采用人工骨,疗效存疑。

刘忠军团队借助3D打印技术的优势,采用个体定制3D打印微孔钛合金人工椎体假体,修复袁先生前方椎体T9-L3之间的骨缺损。并在人工椎体假体上设计出4个椎弓根结构,将其与嵴柱后方的固定系统进行了有效连接,从而大大增强了术后嵴柱的稳定性。

术后一个月袁先生佩戴腰围下地行走,术后2个月患者不佩戴任何支具自由活动,生活完全自理。术后4个月开车、骑车回归正常工作。术后11个月,可以远足、登山。

影像学检查示3个月时即可看到假体两端周围的较多量骨组织包绕,随时间延长,内植物周围骨包绕的征象越来约明显。术后至今已达两年,患者与常人一样生活、工作。

截止目前,刘忠军教授救治过的类似病例有20余例,疗效显着。

因右股骨骨折并出现术后感染,李先生的股骨中段形成长达11cm的骨缺损。刘忠军教授在清创并行骨膜诱导手术的基础上,将一枚定制化3D打印微孔钛合金假体植入股骨缺损区,并用髓内钉将其进行固定。术后4天患者下地行走,术后2个月回归正常工作。

术后一个月,影像学检查显可见假体两端出现周围骨性包绕,随着时间推移,植入物之间的骨包绕日益增多。术后1年,患者的生活和工作状态重新步入正轨。

“超过5cm,甚至10cm以上的嵴椎或四肢骨缺损也能采用钛合金微孔内植物进行直接有效修复”较之传统治疗方法,3D打印植入物治疗巨大骨缺损,其临床实用价值及理论指导价值均具有划时代意义。

据刘忠军介绍,其团队已研发并应用到临床的3D打印骨科内植物有三种。髋关节臼杯,用于髋关节置换手术;人工椎体,用于嵴椎病损椎体切除之后的置换手术;椎间融合器,用于嵴椎椎间盘切除之后的缺损填充手术。2012年上述3种内植物进入临床试验验证,2015至2016年,上述3种内植物先后取得国家药监局的产品注册证并逐渐在全国各医疗单位推广应用。这些应用以优良临床疗效受到业内一致好评。

谈及如何提升3D打印植入物的应用效应,从而惠及更多百姓,刘忠军教授表示,除了要为像3D打印技术这样的科技创新建立绿色通道外,应从国家层面高度重视并将其列为特别重大项目抓紧进行大规模、系统性深入研究。


3D打印相关资讯介绍:

从2011年开始,全球开始掀起3D打印热潮,当前,3D打印在航空航天、汽车、医疗健康等领域的市场应用已经取得积极的进展,我国3D打印产业发展至今,呈现出不断深化、不断扩大应用的态势。未来,随着政策以及技术的支持,我国3D打印产业将会持续增长。前瞻产业研究院独家发布“预见2019:《中国3D打印产业全景图谱》”,一文带你看清中国3D打印发展现状及趋势。

刘忠军:3D打印出来的内置物能解决临床大问题

定义:增材制造(Additive Manufacturing,AM)俗称3D打印,融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除-切削、组装的加工模式不同,是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法,从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束,而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

自1986年,美国科学家Charles Hull获得SLA技术发明专利,并成立全球首家增材制造公司3D Systems开始,3D打印产业拉开了帷幕。

产业链:3D打印是集材料、3D打印设备研发以及下游应用的产业。上游为3D打印材料研发制造层,包括辅助运行(三维扫描仪、控制软件等)、基础配套(步进电机、芯片等)和打印材料(钛合金、金属粉、尼龙材料等)。中游为3D打印设备研发制造,下游为应用领域,3D打印主要应用场景于航空航天、模具铸造、生物医疗、汽车领域等。

分类:3D打印设备主要分为桌面级和工业级两种。桌面级是3D打印技术的初级阶段和入门阶段,能够很直观地阐述3D打印技术的工艺原理。工业级的3D打印机主要分为快速原型制造和直接产品制造两种。两者在打印精度、速度、尺寸等各方面都有不同,其中,打印支撑和打印实体可分参数打印的设计是区分工业机和桌面机的最重要标志。

3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式,并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。

由于我国近年才引入3D打印技术,与国外相比差距非常大,目前全球已经发展至金属3D打印、高分子3D打印、陶瓷3D打印以及生物3D打印技术,我国则主要在层压、激光灯。不过近年来我国生物3D打印技术不断获得突破,推进了3D打印医疗器械、人工组织器官的临床转化进程。


我国3D打印产业规模不断扩大

我国3D打印从1988年发展至今,呈现出不断深化、不断扩大应用的态势。据前瞻产业研究院发布的《中国3D打印产业市场需求与投资潜力分析报告》统计数据显示,2015-2017年的3年间,中国3D打印产业规模实现了翻倍增长,年均增速超过25%。2013年我国3D打印产业规模仅仅为3.2亿美元。2015年我国3D打印产业规模达到7.4亿美元。截止至2017年,中国3D打印领域相关企业超过500家,产业规模已达14.5亿镁元,增速略微放缓至25%左右,但仍高于全球4个百分点。2018年上半年,中国3D打印产业维持25%以上增速,初步测算2018年我国3D打印产业规模有望达到18.3亿美元左右。


3D打印应用领域分析:工业级产品潜力较大

3D打印应用领域广泛,其在下游应用行业和具体用途领域的分布反映了这一技术具有的优势和特点,同时也反映了这一技术的局限和在发展过程中尚需完善的地方。3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。目前,应用领域排名前三的是工业机械、航空航天和汽车,分别占市场份额的20.0%、16.6%和13.8%。


未来工业级3D打印设备是行业收入增长主力军

从3D打印机类型来看,2017年,国内桌面3D打印机出货量增长27%,其中约95%是个人或桌面打印机,工业级3D打印机出货量虽只增加了5%。但从销售收入来看,工业级3D打印机占总收入的80%。所以,虽然消费级设备支撑了出货量,但工业级设备支撑了整个行业的销售收入,未来工业级3D打印设备是行业收入增长的主力军。


品牌繁杂国际品牌占较大份额

近几年来,我国3D打印市场呈现出稳中向好的态势。因此,越来越多的企业想要分这块大蛋糕,纷纷进入该领域,目前中国所有3D打印相关企业中,约有46.9%是2016年以后进入3D打印市场的。当前中国市场的主流设备品牌包括联泰、EOS、华曙、铂力特、3D Systems、GE、Stratasys、惠普等,多为国外品牌。

以环渤海、长三角、珠三角为核心的空间发展格局已形成

从区域分布来看,我国3D打印产业集聚态势明显,目前已基本形成以环渤海、长三角、珠三角为核心,以中西部部分地区为纽带的产业空间发展格局。

其中,北京、浙江、陕西、湖北、广东等省份产业发展较快。目前,北京市从事3D打印技术研发、生产与服务的企业达70家以上,2017年实现销售收入约6亿元。广东省从事3D业务的企业超过400家,实现产值超过30亿元。陕西省从事3D研发生产企业超过70家,2017年营业收入达5亿多元。


技术不断进步高校研发力较强

我国3D打印技术与国外相比虽仍有较大差距,但随着产业的兴起,我国以高校科研机构为主的3D技术研究不断取得进步。2017年中国3D打印相关专利申请量达到7402件,其中华南理工大学、西安交通大学分别排名第一第二名。技术的进步让我国3D打印方案不断落地,2019年1月11日,中国第一座使用3D打印技术制作的高分子材料观景桥正式亮相。未来,“3D打印+”生态圈将会越来越完善。


资本市场逐渐趋向理性

近年来,随着市场监管趋严、行业去伪存真加速,以及一系列风险事件的发生,3D打印热度逐步降低,资本市场对增材制造企业估值趋于理性。2016年中国3D打印行业发生融资事件14起,2017年增至24起,净增加10起。2018年市场趋向冷静,全年融资事件26起,金额普遍偏小,多集中于3D打印设备制造领域。


发展问题犹存探索脚步不停

刘忠军:3D打印出来的内置物能解决临床大问题

我国3D打印产业虽然取得了长足的发展,但发达国家还有较大差距,关键技术滞后、关键装备与核心器件严重依赖进口的问题依然较为突出。此外,中国的专用材料发展滞后,目前国内只开发出钛合金、高强钢等几十种金属,材料成形品性能普遍不高。而行业领军企业及巴斯夫等材料企业纷纷布局专用材料领域,突破一批新型高分子复合材料、高性能合金材料、生物活性材料、陶瓷材料等专用材料。

且目前,中国3D打印尚未出现大规模的市场应用,制约大规模产业化的原因在于打印速度较慢,成本相对较高。随着技术的进步,局部领域已经迈过了使用的盈亏平衡点,未来数年,3D打印有望迎来至为关键的迸发期。


中国3D打印产业发展前景分析

1、产业将持续高速增长

预计未来十年,全球3D打印产业将仍处于高速增长期,据IDC预测,2020年全球增材制造产值将达289亿美元;而中国在不断突破技术壁垒的过程中,产业持续增长,进入大规模产业化时期。

2、工业3D打印将成为主流方向

在航空航天、汽车、航海、核工业以及医疗器械领域对金属3D打印的需求旺盛,应用端呈现快速扩展趋势。

3、应用深度和广度持续扩展

未来,3D打印技术的应用已经从简单的概念模型向功能部件直接制造方向发展。例如在生物医疗领域,3D打印从“非活体”打印逐步进阶到“活体”打印。

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