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
Popraw wczesną i długoterminową-skuteczność
Powiązane artykuły naukowe opublikowane w czasopiśmie 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
Duże segmentowe ubytki kości spowodowane urazem, infekcją lub resekcją guza zawsze stanowiły trudny problem kliniczny. Około 5% -10% złamań ma opóźniony zrost lub brak zrostu, a prawie wszystkie segmentowe zaniki kości skutkują brakiem zrostu. Na całym świecie rocznie wykonuje się ponad 2,2 miliona przeszczepów kości w celu leczenia ubytków kości w ortopedii, neurochirurgii i stomatologii.
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.
Praktyka kliniczna pokazuje jednak, że te zabiegi nie są idealne, a czasem wręcz zawodne. Transport kości za pomocą procedury Ilizarowa zwykle goi się przez kilka miesięcy, podczas których pacjent nie jest w stanie normalnie się poruszać. Ta metoda jest jeszcze mniej prawdopodobna w leczeniu wielosegmentowych wad kręgosłupa. Technika Masqueleta i metoda autologicznego unaczynionego przeszczepu korowego kości pomagają wzmocnić zespolenie kostne, ale trudno jest uzyskać natychmiastową stabilizację pooperacyjną. Ze względu na zapotrzebowanie na dużą ilość kości allogenicznej/autologicznej jako materiału przeszczepu kostnego, często wymagane jest dodatkowe chirurgiczne usunięcie kości (takie jak usunięcie kości biodrowej). Metoda wszczepienia siatki tytanowej w obszar ubytku kostnego zapewnia do pewnego stopnia wygodę aplikacji różnych materiałów przeszczepowych, ale jej efekt fiksacyjny jest ograniczony, a także ma wady w postaci łatwego obluzowania, osiadania czy przemieszczenia. W rzeczywistości techniki takie jak Ilizarov i Masquelet są również trudne do zastosowania w niektórych miejscach dysocjacji, takich jak metafiza.
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.
blokowe wydruki 3D porowate implanty tytanowe
"Implant-bone" interface fusion
W porównaniu z wyżej-wymienionymi metodami, które wymagają dużej ilości allogenicznego/autologicznego wypełnienia kości, zastosowanie drukowanych w 3D- porowatych implantów ze stopu tytanu do naprawy i rekonstrukcji ubytków kości wydaje się mieć oczywiste zalety. Po pierwsze, implanty można precyzyjnie dostosować do kształtu ubytku kostnego, bez konieczności przeszczepu kości; dodatkowo, zgodnie z zaletami protezy metalowej, można zaprojektować urządzenie mocujące, aby uzyskać natychmiastową stabilizację między implantem a sąsiednimi kośćmi, tak aby pacjent mógł wstać z łóżka wcześnie po zabiegu; Porowate cechy strukturalne, przyciągające sąsiednią tkankę kostną do wrastania w nią i ostatecznie osiągają trwałe zespolenie interfejsu kostnego implantu-.
Rycina 1. Analiza radiologiczna i biomechaniczna wydrukowanych w 3D porowatych implantów Ti6A14V w celu zrekonstruowania 4 cm ubytku kości udowej. (A) Zdjęcia rentgenowskie -po 1, 3 i 6 miesiącach od implantacji (i-iii) Obrazy tomografii komputerowej po 1, 3 i 6 miesiącach od implantacji (iv-vi) . Niebieskie strzałki wskazują nowo utworzoną kość w miejscu ubytku lub na zewnętrznej powierzchni implantu. (vii) Ocena radiologiczna każdej grupy. (n=4) (B) Obrazy rekonstrukcyjne MicroCT 3D (i-iii) grup 1, 3 i 6 miesięcy po uśmierceniu (szary wskazuje stop tytanu, zielony wskazuje nową kość). (iv) Ilościowe wyniki frakcji objętości kości w regionach peri-implantu iw -otworze każdej grupy (n=4).
Jednak kliniczny efekt terapeutyczny zastosowania drukowanych w 3D porowatych implantów do naprawy ubytków kości (zwłaszcza dużych-odcinkowych ubytków kości) wymaga nie tylko potwierdzenia wyników obserwacji w przypadkach kontrolnych-, ale także wyniki odpowiednich badań doświadczalnych na zwierzętach jako dowody. W tym celu zespół badawczy przeprowadził -dogłębne i systematyczne eksploracje i badania.
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.
Rycina 5. Wydrukowany w 3D- porowaty implant Ti6Al4V do rekonstrukcji ubytku kości udowej (przypadek 2). X zrekonstruowanego 11 cm ubytku kości udowej bezpośrednio po ostatniej operacji (A) i 2 (B), 5 mies. (C), 8 mies. (D), 14 mies. (E) i 20 mies. (F) po wszczepieniu obrazu linii. Niebieskie strzałki wskazują osteointegrację między implantem a kością żywiciela.
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.
Firma GMKJ Technology jest głęboko zaangażowana w zdrowe i inteligentne źródła światła, dostarczając na rynek pełną gamę produktów i rozwiązań w zakresie ultrafioletu UVA UVB UVC LED, podczerwieni IR LED VCSEL i ma setki wysokiej jakości partnerów w kraju i za granicą rynków, aby wspólnie promować wykorzystanie technologii świetlnej w celu stworzenia zdrowego i inteligentnego życia. .
