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
Cải thiện hiệu quả - sớm và lâu dài
Các bài báo nghiên cứu liên quan được xuất bản trên tạp chí Vật liệu hoạt tính sinh học
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
Dị tật xương đoạn lớn do chấn thương, nhiễm trùng, hoặc cắt bỏ khối u luôn là một vấn đề lâm sàng đầy thách thức. Khoảng 5 phần trăm -10 phần trăm trường hợp gãy xương bị chậm liên kết hoặc không kết hợp, và gần như tất cả các đoạn mất xương dẫn đến không kết hợp. Trên toàn thế giới, hơn 2,2 triệu ca ghép xương được thực hiện hàng năm để điều trị các khuyết tật về xương trong chỉnh hình, phẫu thuật thần kinh và nha khoa.
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.
Tuy nhiên, thực tế lâm sàng cho thấy những phương pháp điều trị này không lý tưởng và đôi khi thậm chí không đáng tin cậy. Quá trình vận chuyển xương thông qua thủ thuật Ilizarov thường mất vài tháng để chữa lành, trong thời gian đó bệnh nhân không thể di chuyển bình thường. Phương pháp này thậm chí ít có khả năng được sử dụng để điều trị các khuyết tật xương nhiều - đoạn của cột sống. Kỹ thuật Masquelet và phương pháp ghép xương vỏ não bằng mạch máu tự thân giúp tăng cường kết hợp xương, nhưng khó đạt được sự ổn định ngay sau mổ. Do cần một lượng lớn xương đồng sinh / tự thân làm vật liệu ghép xương, nên việc cắt bỏ xương bằng phẫu thuật bổ sung (chẳng hạn như cắt bỏ xương chậu) thường được yêu cầu. Phương pháp cấy ghép lưới titan vào vùng khuyết xương mang lại sự thuận tiện cho việc ứng dụng các vật liệu ghép khác nhau ở một mức độ nhất định, nhưng tác dụng cố định của nó còn hạn chế, đồng thời có khuyết điểm là dễ bị lỏng lẻo, xẹp lún hoặc di lệch. Trên thực tế, các kỹ thuật như Ilizarov và Masquelet cũng khó áp dụng ở một số vị trí phân ly nhất định, chẳng hạn như siêu hình.
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.
khối 3D in cấy ghép titan xốp
"Implant-bone" interface fusion
So với các phương pháp - được đề cập ở trên đòi hỏi một lượng lớn chất làm đầy xương đồng sinh / tự thân, việc ứng dụng cấy ghép hợp kim titan xốp được in 3D - để sửa chữa và tái tạo các khiếm khuyết của xương dường như có những lợi thế rõ ràng. Đầu tiên, mô cấy có thể được tùy chỉnh chính xác theo hình dạng của xương khuyết tật mà không cần ghép xương; Ngoài ra, theo ưu điểm của phục hình kim loại, một thiết bị cố định có thể được thiết kế để đạt được sự ổn định tức thì giữa mô cấy và xương lân cận, để bệnh nhân có thể ra khỏi giường sớm sau phẫu thuật; Đặc điểm cấu trúc xốp, thu hút mô xương lân cận phát triển vào đó và cuối cùng đạt được sự hợp nhất vĩnh viễn của giao diện xương - cấy ghép.
Hình 1. Phân tích X quang và cơ sinh học của cấy ghép Ti6A14V xốp in 3D để tái tạo khuyết tật xương đùi 4 cm. (A) Hình ảnh tia X - lúc 1, 3 và 6 tháng sau khi cấy (i - iii) Hình ảnh chụp cắt lớp vi tính ở 1, 3 và 6 tháng sau khi cấy (iv - vi) . Mũi tên màu xanh lam cho biết xương mới hình thành tại vị trí khuyết tật hoặc trên bề mặt bên ngoài của mô cấy. (vii) Điểm phóng xạ của từng nhóm. (n =4) (B) Hình ảnh tái tạo 3D MicroCT (i {- iii) của nhóm 1, 3 và 6 tháng sau khi hy sinh (màu xám biểu thị hợp kim titan, màu xanh lục biểu thị xương mới). (iv) Kết quả định lượng phần thể tích xương trong mô cấy quanh - và ở - vùng foram của mỗi nhóm (n =4).
Tuy nhiên, hiệu quả điều trị lâm sàng của việc sử dụng mô cấy xốp in 3D để sửa chữa các khuyết tật xương (đặc biệt là các khuyết tật xương lớn -) không chỉ đòi hỏi sự xác nhận kết quả quan sát của các trường hợp theo dõi - mà còn kết quả của các nghiên cứu thực nghiệm trên động vật có liên quan để làm bằng chứng. Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành - thăm dò và nghiên cứu có hệ thống và chuyên sâu.
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.
Hình 5. Cấy ghép Ti6Al4V xốp - in 3D để tái tạo khuyết tật xương đùi (trường hợp 2). X của khiếm khuyết xương đùi 11 cm được tái tạo ngay sau lần phẫu thuật cuối cùng (A) và 2 (B), 5 tháng (C), 8 tháng (D), 14 tháng (E) và 20 tháng (F) sau khi cấy ghép hình ảnh. Các mũi tên màu xanh lam cho biết sự tích hợp xương giữa implant và xương chủ.
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.
GMKJ Technology tham gia sâu vào các nguồn sáng lành mạnh và thông minh, cung cấp cho thị trường đầy đủ các sản phẩm và giải pháp LED tia cực tím UVA UVB UVC, LED hồng ngoại IR LED VCSEL, đồng thời có hàng trăm - đối tác chất lượng cao trong và ngoài nước thị trường để cùng thúc đẩy việc sử dụng công nghệ ánh sáng để tạo ra một cuộc sống lành mạnh và thông minh. .
