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劉忠軍:3D打印出來的內置物能解決臨床大問題

http://www.b2b.hc360.com 中國金屬加工網 信息來源:Author發布時間:2019年05月23日瀏覽:6428

今年兩會期間,全國人大代表、北醫三院大外科主任劉忠軍教授一如既往地隨身攜帶幾塊3D打印的骨關節。只要有機會,他就拿出這幾塊骨關節,不厭其煩地向記者、與會代表們講述3D打印微孔鈦合金內植物研究的最新進展。

劉忠軍:3D打印出來的內置物能解決臨床大問題

“這些3D打印出來的內置物能解決臨床大問題,實實在在解決老百姓痛苦”談及如此執著于3D打印技術的原因,劉忠軍如是說。

在劉忠軍看來,3D打印技術對傷病造成的巨大骨缺損問題,解決了兩方面問題。首先是解決了骨缺損修復重建術中內植物的個體化定制;內植物可被加工成微孔結構以供骨組織長入。微孔結構內長入骨組織就意味內植物可以與相鄰骨骼實現有效融合,這一特性在骨科疾病治療中至關重要。

袁先生是一位嵴索瘤患者。慕名到北醫三院就醫時,腫瘤已侵占胸腰椎T10-L2后方椎板與附件結構,以及前方的5節椎體,腫瘤侵占的跨度之大實屬罕見。要摘除瘤體,就會造成10余厘米大跨度骨缺損,找到合適的替代骨一時成為世界級難題。

自西醫骨科學建立以來,骨缺損的修復一直沿用骨組織移植并最終通過相鄰宿主骨與移植骨連接,然后逐漸替代移植骨而最終完成骨修復和整合。或使用近年研發的“人工骨”(多為羥基磷灰石、硫酸鈣等材料)。然而,對于巨大骨缺損,上述修復過程長達數月、甚至數年,并且因植入骨的即刻穩定性差,致使在漫長的骨修復期間患者喪失正常生活和工作的能力。此外,用以作為骨修復材料的骨組織來源有限且存在弊端,采用自體取骨會對患者造成新的創傷,采用異體骨有疾病傳染之慮,采用人工骨,療效存疑。

劉忠軍團隊借助3D打印技術的優勢,采用個體定制3D打印微孔鈦合金人工椎體假體,修復袁先生前方椎體T9-L3之間的骨缺損。并在人工椎體假體上設計出4個椎弓根結構,將其與嵴柱后方的固定系統進行了有效連接,從而大大增強了術后嵴柱的穩定性。

術后一個月袁先生佩戴腰圍下地行走,術后2個月患者不佩戴任何支具自由活動,生活完全自理。術后4個月開車、騎車回歸正常工作。術后11個月,可以遠足、登山。

影像學檢查示3個月時即可看到假體兩端周圍的較多量骨組織包繞,隨時間延長,內植物周圍骨包繞的征象越來約明顯。術后至今已達兩年,患者與常人一樣生活、工作。

截止目前,劉忠軍教授救治過的類似病例有20余例,療效顯著。

因右股骨骨折并出現術后感染,李先生的股骨中段形成長達11cm的骨缺損。劉忠軍教授在清創并行骨膜誘導手術的基礎上,將一枚定制化3D打印微孔鈦合金假體植入股骨缺損區,并用髓內釘將其進行固定。術后4天患者下地行走,術后2個月回歸正常工作。

術后一個月,影像學檢查顯可見假體兩端出現周圍骨性包繞,隨著時間推移,植入物之間的骨包繞日益增多。術后1年,患者的生活和工作狀態重新步入正軌。

“超過5cm,甚至10cm以上的嵴椎或四肢骨缺損也能采用鈦合金微孔內植物進行直接有效修復”較之傳統治療方法,3D打印植入物治療巨大骨缺損,其臨床實用價值及理論指導價值均具有劃時代意義。

據劉忠軍介紹,其團隊已研發并應用到臨床的3D打印骨科內植物有三種。髖關節臼杯,用于髖關節置換手術;人工椎體,用于嵴椎病損椎體切除之后的置換手術;椎間融合器,用于嵴椎椎間盤切除之后的缺損填充手術。2012年上述3種內植物進入臨床試驗驗證,2015至2016年,上述3種內植物先后取得國家藥監局的產品注冊證并逐漸在全國各醫療單位推廣應用。這些應用以優良臨床療效受到業內一致好評。

談及如何提升3D打印植入物的應用效應,從而惠及更多百姓,劉忠軍教授表示,除了要為像3D打印技術這樣的科技創新建立綠色通道外,應從國家層面高度重視并將其列為特別重大項目抓緊進行大規模、系統性深入研究。


3D打印相關資訊介紹:

從2011年開始,全球開始掀起3D打印熱潮,當前,3D打印在航空航天、汽車、醫療健康等領域的市場應用已經取得積極的進展,我國3D打印產業發展至今,呈現出不斷深化、不斷擴大應用的態勢。未來,隨著政策以及技術的支持,我國3D打印產業將會持續增長。前瞻產業研究院獨家發布“預見2019:《中國3D打印產業全景圖譜》”,一文帶你看清中國3D打印發展現狀及趨勢。

劉忠軍:3D打印出來的內置物能解決臨床大問題

定義:增材制造(Additive Manufacturing,AM)俗稱3D打印,融合了計算機輔助設計、材料加工與成形技術、以數字模型文件為基礎,通過軟件與數控系統將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫用生物材料,按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積,制造出實體物品的制造技術。相對于傳統的、對原材料去除-切削、組裝的加工模式不同,是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法,從無到有。這使得過去受到傳統制造方式的約束,而無法實現的復雜結構件制造變為可能。

自1986年,美國科學家Charles Hull獲得SLA技術發明專利,并成立全球首家增材制造公司3D Systems開始,3D打印產業拉開了帷幕。

產業鏈:3D打印是集材料、3D打印設備研發以及下游應用的產業。上游為3D打印材料研發制造層,包括輔助運行(三維掃描儀、控制軟件等)、基礎配套(步進電機、芯片等)和打印材料(鈦合金、金屬粉、尼龍材料等)。中游為3D打印設備研發制造,下游為應用領域,3D打印主要應用場景于航空航天、模具鑄造、生物醫療、汽車領域等。

分類:3D打印設備主要分為桌面級和工業級兩種。桌面級是3D打印技術的初級階段和入門階段,能夠很直觀地闡述3D打印技術的工藝原理。工業級的3D打印機主要分為快速原型制造和直接產品制造兩種。兩者在打印精度、速度、尺寸等各方面都有不同,其中,打印支撐和打印實體可分參數打印的設計是區分工業機和桌面機的最重要標志。

3D打印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在于以可用的材料的方式,并以不同層構建創建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。

由于我國近年才引入3D打印技術,與國外相比差距非常大,目前全球已經發展至金屬3D打印、高分子3D打印、陶瓷3D打印以及生物3D打印技術,我國則主要在層壓、激光燈。不過近年來我國生物3D打印技術不斷獲得突破,推進了3D打印醫療器械、人工組織器官的臨床轉化進程。


我國3D打印產業規模不斷擴大

我國3D打印從1988年發展至今,呈現出不斷深化、不斷擴大應用的態勢。據前瞻產業研究院發布的《中國3D打印產業市場需求與投資潛力分析報告》統計數據顯示,2015-2017年的3年間,中國3D打印產業規模實現了翻倍增長,年均增速超過25%。2013年我國3D打印產業規模僅僅為3.2億美元。2015年我國3D打印產業規模達到7.4億美元。截止至2017年,中國3D打印領域相關企業超過500家,產業規模已達14.5億鎂元,增速略微放緩至25%左右,但仍高于全球4個百分點。2018年上半年,中國3D打印產業維持25%以上增速,初步測算2018年我國3D打印產業規模有望達到18.3億美元左右。


3D打印應用領域分析:工業級產品潛力較大

3D打印應用領域廣泛,其在下游應用行業和具體用途領域的分布反映了這一技術具有的優勢和特點,同時也反映了這一技術的局限和在發展過程中尚需完善的地方。3D打印機需求量較大的行業包括政府、航天和國防、醫療設備、高科技、教育業以及制造業。目前,應用領域排名前三的是工業機械、航空航天和汽車,分別占市場份額的20.0%、16.6%和13.8%。


未來工業級3D打印設備是行業收入增長主力軍

從3D打印機類型來看,2017年,國內桌面3D打印機出貨量增長27%,其中約95%是個人或桌面打印機,工業級3D打印機出貨量雖只增加了5%。但從銷售收入來看,工業級3D打印機占總收入的80%。所以,雖然消費級設備支撐了出貨量,但工業級設備支撐了整個行業的銷售收入,未來工業級3D打印設備是行業收入增長的主力軍。


品牌繁雜國際品牌占較大份額

近幾年來,我國3D打印市場呈現出穩中向好的態勢。因此,越來越多的企業想要分這塊大蛋糕,紛紛進入該領域,目前中國所有3D打印相關企業中,約有46.9%是2016年以后進入3D打印市場的。當前中國市場的主流設備品牌包括聯泰、EOS、華曙、鉑力特、3D Systems、GE、Stratasys、惠普等,多為國外品牌。

以環渤海、長三角、珠三角為核心的空間發展格局已形成

從區域分布來看,我國3D打印產業集聚態勢明顯,目前已基本形成以環渤海、長三角、珠三角為核心,以中西部部分地區為紐帶的產業空間發展格局。

其中,北京、浙江、陜西、湖北、廣東等省份產業發展較快。目前,北京市從事3D打印技術研發、生產與服務的企業達70家以上,2017年實現銷售收入約6億元。廣東省從事3D業務的企業超過400家,實現產值超過30億元。陜西省從事3D研發生產企業超過70家,2017年營業收入達5億多元。


技術不斷進步高校研發力較強

我國3D打印技術與國外相比雖仍有較大差距,但隨著產業的興起,我國以高校科研機構為主的3D技術研究不斷取得進步。2017年中國3D打印相關專利申請量達到7402件,其中華南理工大學、西安交通大學分別排名第一第二名。技術的進步讓我國3D打印方案不斷落地,2019年1月11日,中國第一座使用3D打印技術制作的高分子材料觀景橋正式亮相。未來,“3D打印+”生態圈將會越來越完善。


資本市場逐漸趨向理性

近年來,隨著市場監管趨嚴、行業去偽存真加速,以及一系列風險事件的發生,3D打印熱度逐步降低,資本市場對增材制造企業估值趨于理性。2016年中國3D打印行業發生融資事件14起,2017年增至24起,凈增加10起。2018年市場趨向冷靜,全年融資事件26起,金額普遍偏小,多集中于3D打印設備制造領域。


發展問題猶存探索腳步不停

劉忠軍:3D打印出來的內置物能解決臨床大問題

我國3D打印產業雖然取得了長足的發展,但發達國家還有較大差距,關鍵技術滯后、關鍵裝備與核心器件嚴重依賴進口的問題依然較為突出。此外,中國的專用材料發展滯后,目前國內只開發出鈦合金、高強鋼等幾十種金屬,材料成形品性能普遍不高。而行業領軍企業及巴斯夫等材料企業紛紛布局專用材料領域,突破一批新型高分子復合材料、高性能合金材料、生物活性材料、陶瓷材料等專用材料。

且目前,中國3D打印尚未出現大規模的市場應用,制約大規模產業化的原因在于打印速度較慢,成本相對較高。隨著技術的進步,局部領域已經邁過了使用的盈虧平衡點,未來數年,3D打印有望迎來至為關鍵的迸發期。


中國3D打印產業發展前景分析

1、產業將持續高速增長

預計未來十年,全球3D打印產業將仍處于高速增長期,據IDC預測,2020年全球增材制造產值將達289億美元;而中國在不斷突破技術壁壘的過程中,產業持續增長,進入大規模產業化時期。

2、工業3D打印將成為主流方向

在航空航天、汽車、航海、核工業以及醫療器械領域對金屬3D打印的需求旺盛,應用端呈現快速擴展趨勢。

3、應用深度和廣度持續擴展

未來,3D打印技術的應用已經從簡單的概念模型向功能部件直接制造方向發展。例如在生物醫療領域,3D打印從“非活體”打印逐步進階到“活體”打印。

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