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
Zlepšete ranou a dlouhodobou-účinnost
Související výzkumné práce publikované v časopise 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
Velké segmentální kostní defekty způsobené traumatem, infekcí nebo resekcí tumoru byly vždy náročným klinickým problémem. Asi u 5 až 10 procent zlomenin dochází k opožděnému zhojení nebo neshojování a téměř všechny segmentální úbytky kosti mají za následek neshojování. Na celém světě se ročně provede více než 2,2 milionu kostních štěpů k léčbě kostních defektů v ortopedii, neurochirurgii a 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.
Klinická praxe však ukazuje, že tato léčba není ideální a někdy dokonce nespolehlivá. Transport kosti Ilizarovovou procedurou obvykle trvá několik měsíců, než se hojí, během této doby se pacient nemůže normálně pohybovat. Ještě méně je pravděpodobné, že tato metoda bude použita k léčbě multi-segmentálních kosterních defektů páteře. Masqueletova technika a metoda autologního vaskularizovaného kortikálního kostního štěpu pomáhají zlepšit kostní fúzi, ale je obtížné dosáhnout okamžité pooperační stabilizace. Vzhledem k potřebě velkého množství alogenní/autologní kosti jako materiálu kostního štěpu je často vyžadováno dodatečné chirurgické odstranění kosti (jako je odstranění kyčelní kosti). Způsob implantace titanové síťky do oblasti kostního defektu poskytuje do určité míry pohodlí pro aplikaci různých materiálů štěpu, ale její fixační efekt je omezený a má také nedostatky ve snadném uvolnění, sedání nebo posunu. Ve skutečnosti jsou techniky jako Ilizarov a Masquelet také obtížně aplikovatelné v určitých disociačních místech, jako je metafýza.
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.
blokové 3D tisky porézních titanových implantátů
"Implant-bone" interface fusion
Ve srovnání s výše{0}}uvedenými metodami, které vyžadují velké množství alogenní/autologní kostní výplně, se zdá, že aplikace 3D-vytištěných implantátů z porézní titanové slitiny k opravě a rekonstrukci kostních defektů má zjevné výhody. Za prvé, implantáty mohou být přesně přizpůsobeny podle tvaru kostního defektu bez nutnosti použití kostního štěpu; kromě toho lze podle výhod kovové protézy navrhnout fixační zařízení pro dosažení okamžité stabilizace mezi implantátem a přilehlými kostmi, takže pacient může po operaci brzy vstát z lůžka; Porézní strukturní rysy, přitahující sousední kostní tkáň, aby do ní vrostla a nakonec dosáhla trvalého spojení implantátu-kostního rozhraní.
Obrázek 1. Radiologická a biomechanická analýza 3D tištěných porézních implantátů Ti6A14V pro rekonstrukci 4 cm femorálního defektu. (A) Rentgenové snímky 1, 3 a 6 měsíců po implantaci (i-iii) Snímky počítačové tomografie 1, 3 a 6 měsíců po implantaci (iv-vi) . Modré šipky označují nově vytvořenou kost v místě defektu nebo na vnějším povrchu implantátu. (vii) Radiologické skóre každé skupiny. (n=4) (B) 3D rekonstrukční snímky MicroCT (i-iii) skupin 1, 3 a 6 měsíců po utracení (šedá označuje slitinu titanu, zelená označuje novou kost). (iv) Kvantitativní výsledky frakce objemu kosti v peri{20}}implantátových a -oblastech ve formě každé skupiny (n=4).
Klinický terapeutický účinek použití 3D tištěných porézních implantátů k opravě kostních defektů (zejména velkých-defektů kostí segmentů) však vyžaduje nejen potvrzení výsledků pozorování u sledovaných-případů, ale také výsledky příslušných experimentálních studií na zvířatech jako důkaz. Za tímto účelem výzkumný tým provedl-hloubkový a systematický průzkum a výzkum.
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.
Obrázek 5. 3D-vytištěný porézní implantát Ti6Al4V pro rekonstrukci femorálního defektu (případ 2). X rekonstruovaného defektu femuru 11 cm bezprostředně po poslední operaci (A) a 2 (B), 5 měsíců (C), 8 měsíců (D), 14 měsíců (E) a 20 měsíců (F) po implantaci liniový snímek. Modré šipky označují osseointegraci mezi implantátem a hostitelskou kostí.
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 je hluboce zapojena do zdravých a inteligentních světelných zdrojů a poskytuje trhu celou řadu produktů a řešení ultrafialových UVA UVB UVC LED, infračervených IR LED VCSEL a má stovky vysoce{0}}kvalitních partnerů v tuzemsku i zahraničí trhy, aby společně podporovaly používání světelných technologií k vytvoření zdravého a chytrého života. .
