The current concept of large-segment bone defect treatment is still to complete the replacement and fusion of bone tissue by means of autologous, allogeneic or artificial bone graft filling, that is, "bone-bone" interface fusion. The theory is deeply rooted, but the clinical effect is poor. A research team from research institutions such as Peking University Third Hospital used a custom-made 3D-printed titanium alloy porous implant to repair large-segment bone defects in a research work, realizing the patient's early limb function recovery and long-term "implant- Reliable fusion of the "bone" interface, with significantly improved efficacy.
© 3D Science Valley White Paper
שפר את היעילות המוקדמת ולטווח הארוך-
מאמרי מחקר קשורים שפורסמו בכתב העת Bioactive Materials
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.03.030
This research work was supported by the National Key RD Program of the Ministry of Science and Technology of the People's Republic of China (2016YFB1101501).
block Traditional "bone-bone" fusion treatment concept
פגמים גדולים בעצמות מגזריות עקב טראומה, זיהום או כריתת גידול היו תמיד בעיה קלינית מאתגרת. כ-5% -10% מהשברים חווים אי-איחוד או אי-איחוד מושהה, וכמעט כל אובדן עצם מגזרי גורם לאי-איחוד. ברחבי העולם, יותר מ-2.2 מיליון השתלות עצם מבוצעות מדי שנה לטיפול במומים בעצמות באורטופדיה, נוירוכירורגיה ורפואת שיניים.
Classical techniques for the treatment of large bone defects include the Ilizarov technique, the induction of bone regeneration through biofilms (Masquelet technique), autologous vascularized cortical bone grafting, and titanium mesh (filled with autologous or allogeneic bone) implantation techniques. The above treatments have their own characteristics depending on the technology, but they are essentially based on the concept of "bone-bone" fusion, that is, autologous bone, allogeneic bone or artificial bone is transplanted and filled in the defect area, and replaced by bone tissue repair. Complete the connection and fusion of the bones at both ends of the defect area.
עם זאת, הפרקטיקה הקלינית מראה שטיפולים אלו אינם אידיאליים ולעיתים אף אינם אמינים. הובלת עצם באמצעות הליך איליזארוב נמשך בדרך כלל מספר חודשים להחלים, ובמהלכם החולה אינו מסוגל לנוע כרגיל. יש סיכוי נמוך עוד יותר ששיטה זו תשמש לטיפול בפגמי שלד מרובי-מקטעים של עמוד השדרה. טכניקת Masquelet והשיטה של השתלת עצם קליפת המוח אוטולוגית בכלי דם מסייעים לשיפור איחוי העצם, אך קשה להגיע לייצוב מיידי לאחר הניתוח. בשל הצורך בכמות גדולה של עצם אלוגניית/אוטולוגית כחומר להשתלת עצם, נדרשת לעיתים קרובות הסרת עצם כירורגית נוספת (כגון הסרת עצם איליאק). שיטת השתלת רשת הטיטניום לאזור פגמי העצם מספקת נוחות ליישום חומרי השתלה שונים במידה מסוימת, אך השפעת הקיבוע שלה מוגבלת, ויש לה גם חסרונות של התרופפות קלה, שקיעה או עקירה. למעשה, טכניקות כמו Ilizarov ומסקוולט קשות ליישום גם באתרי דיסוציאציה מסוימים, כמו המטאפיזה.
To sum up, various traditional techniques based on the concept and theory of "bone-bone" fusion have many shortcomings or defects in the treatment of large segmental bone defects: the treatment process is long, and the limbs of patients after surgery are not immediately, early, or surgically removed. After a long period of time can not bear weight.
בלוק 3D מדפיס שתלי טיטניום נקבוביים
"Implant-bone" interface fusion
בהשוואה לשיטות-המוזכרות לעיל הדורשות כמות גדולה של מילוי עצם אלוגני/אוטולוגי, נראה שיש יתרונות ברורים ליישום של שתלי סגסוגת טיטניום נקבוביות תלת-ממדיות-מודפסות לתיקון ושחזור של פגמי עצם. ראשית, ניתן להתאים את השתלים באופן מדויק לפי צורת הפגם בעצם, ללא צורך בהשתלת עצם; בנוסף, על פי היתרונות של תותבת מתכת, ניתן לתכנן מכשיר קיבוע כדי להגיע לייצוב מיידי בין השתל לעצמות סמוכות, כך שהמטופל יוכל לקום מוקדם מהמיטה לאחר הניתוח; מאפיינים מבניים נקבוביים, מושכים רקמות עצם סמוכות לצמוח לתוכה, ולבסוף משיגים איחוי קבוע של השתל-ממשק העצם.
איור 1. ניתוח רדיולוגי וביומכני של שתלי Ti6A14V נקבוביים מודפסים בתלת-ממד כדי לשחזר פגם בירך בגודל 4 ס"מ. (א) תמונות רנטגן ב-1, 3 ו-6 חודשים לאחר ההשתלה (i-iii) תמונות טומוגרפיה ממוחשבת ב-1, 3 ו-6 חודשים לאחר ההשתלה (iv-vi) . חיצים כחולים מציינים עצם חדשה שנוצרה במקום הפגם או על פני השטח החיצוניים של השתל. (vii) ציון רדיולוגי של כל קבוצה. (n=4) (ב) תמונות שחזור של MicroCT 3D (i-iii) של קבוצות 1, 3 ו-6 חודשים לאחר ההקרבה (אפור מציין סגסוגת טיטניום, ירוק מציין עצם חדשה). (iv) תוצאות כמותיות של שבריר נפח עצם ב-השתל ובאזורים-בפורמים של כל קבוצה (n=4).
עם זאת, ההשפעה הטיפולית הקלינית של שימוש בשתלים נקבוביים מודפסים בתלת מימד לתיקון פגמי עצם (במיוחד פגמי עצם- גדולים) דורשת לא רק אישור של תוצאות התצפית של מקרי מעקב-, אלא גם תוצאות של מחקרים רלוונטיים בבעלי חיים כראיה. לשם כך, צוות המחקר ביצע-חקירה ומחקר מעמיקים ושיטתיים.
Figure 2. Biomechanical analysis of 3D printed porous Ti6A14V implants for reconstruction of 4 cm femoral defects. (A) Three-point flexural strength of each group of samples (n = 4) (B) Stress distribution of the "implant-bone" complex at (ii) 1000 N, (iv) 2000 N and (vi) 3000 N. Displacement distribution of the "implant-bone" complex at (i) 1000N, (iii) 2000N and (v) 3000N. (p<0.01,><>
In view of the shortcomings of the traditional "bone-bone" fusion method in the treatment of large-segment bone defects, and based on the experience of exploratory treatment of large-segment bone defects and the results of relevant animal experiments, the research team proposed a new large-segment bone defect. The technology and concept of bone defect repair and reconstruction: "implant-bone" interface fusion.
Figure 3. Histological analysis of 3D-printed porous Ti6A14V implants for reconstruction and repair of 4 cm long femoral defects. (A) Goldner's trichrome staining (i-iii) of 1, 3 and 6 month groups. (iv) Quantitative results of implant-bone growth and implant-bone contact rates in the three groups. (v) The ratio of mineralized bone to osteoid in each group (n = 10). (B) Fluorescent labeling of new bone around the implant and in the pores. (White arrows indicate titanium columns, green and yellow bands indicate calcein- and tetracycline-labeled new bone, respectively). (i) Osseointegration around the implant in the 1-, (iii) 3- and (v) 6-month groups. (ii) 1-, (iv) 3-, (vi) osseointegration in plant pores in 6-month groups.
The basic idea is: a. The 3D printed porous titanium alloy prosthesis is implanted into the bone defect area, and the two ends of the implanted prosthesis are connected and fixed with the adjacent host bone, so as to realize the immediate (or early) functional recovery of the patient's limb; b . The implanted prosthesis is designed as a porous structure to attract adjacent bone tissue to grow into it and surround it to achieve "implant-bone" interface fusion.
Figure 4. 3D printing of porous Ti6Al4V implants to reconstruct spinal bone defects (case 1). (A) (i-vi) 1 month (i), 3 months (ii), 7 (months iii), 12 months (iv), 24 months (v) and 32 (vi) postoperatively "Implant-bone" X-ray image of Moon. Blue arrows indicate the implant-bone interface or new bone on the outer surface of the implant. (B) CT images at 3 months (i), 7 months (ii), 12 months (iii), 28 months (iv), 32 months (v) and 36 months (vi) after surgery. Blue arrows indicate the implant-bone interface or newly formed bone on the outside of the implant.
Of course, if the porous structure of the implant grows through the bone tissue, it is ideal to form a "bone-bone" fusion, but it is difficult to become a reality. However, when the two ends of the implant prosthesis are effectively fused with the host bone at a distance of several millimeters, it can already meet the needs of the patient to restore the motor function of the limb. The research team applied the 3D-printed porous titanium alloy implants made by electron beam melting (EBM) technology to the clinical treatment of a group of large-segment bone defects, and achieved better than expected results. At the same time, the research team used the small-tailed Han sheep to create a long-segment femoral defect model to study the osseointegration characteristics of this method, and to provide a supporting basis for the treatment effect of clinical cases.
איור 5. שתל Ti6Al4V נקבובי מודפס -תלת-ממדי לשחזור פגם בירך (מקרה 2). X של פגם הירך המשוחזר באורך 11 ס"מ מיד לאחר הניתוח האחרון (A) ו-2 (B), 5 חודשים (C), 8 חודשים (D), 14 חודשים (E) ו-20 חודשים (F) לאחר תמונת קו ההשתלה. חיצים כחולים מציינים אוסאואינטגרציה בין השתל לעצם המארח.
Figure 6. 3D-printed porous Ti6Al4V implant to reconstruct pelvic bone defect (case 3). Photographs of the actual "implant-bone" complex specimen taken from (A) lateral and (B) anteroposterior views. The location of the "implant-bone" interface area indicated by the blue arrow (C) Histological image of the "implant-bone" interface, showing new bone growing into the porous implant pores. Micro-CT images of the "implant-bone" contact area in (D) midsagittal plane, (E) coronal plane and (F) transverse plane.
In this study, the research team successfully treated large segmental bone defects caused by various etiologies by 3D printing porous titanium alloy implants without using autologous/allogeneic bone grafts or any osteoinductive agents. immediate and long-term biomechanical stability. Animal experiments have shown that bone can grow into the pores to a certain extent and gradually remodel, so that the "implant-bone" complex can achieve long-term mechanical stability. In addition, this study also proposes a new "implant-bone" interface fusion concept for the treatment of large segmental bone defects, which is different from the traditional "bone-bone" fusion concept.
טכנולוגיית GMKJ עוסקת עמוקות במקורות אור בריאים וחכמים, מספקת לשוק מגוון שלם של מוצרים ופתרונות אולטרה סגול UVA UVB UVC LED, אינפרא אדום IR LED VCSEL מוצרים ופתרונות, ויש לה מאות שותפים באיכות גבוהה- בארץ ובחו"ל שווקים כדי לקדם במשותף את השימוש בטכנולוגיית אור ליצירת חיים בריאים וחכמים. .
