金屬3D打印植入物在醫療中的應用已超過10年，如今，僅是Arcam 的電子束熔融設備制造的3D打印髖臼杯植入物就已經達到了10萬件。

而髖臼杯只是3D打印植入物中的一個種類，2016年以來不僅是Stryker, Zimmer、強生等******骨科醫療器械制造商陸續拿到了3D打印植入物注冊證，將3D打印產品正式推向市場，還有一批通過3D打印技術生產脊椎融合器等細分領域植入物的小型骨科醫療器械制造商也陸續獲得了FDA的產品注冊證。這些已經允許在醫療市場上銷售的3D打印產品包括髖臼杯、膝關節植入物、脊柱融合器、足踝融合器等多個類別。

為什么3D打印植入物受到了眾多骨科醫療器械制造商的關注？3D打印技術的價值僅在于能夠靈活的實現植入物定制化生產嗎？本期，3D科學谷結合英國利物浦大學Chris Sutcliffe 教授對金屬3D打印植入物的特點、制造過程以及技術發展前景的觀點，共同思考這些問題。

三維多孔結構促進骨整合

Sutcliffe 教授在骨科植入物增材制造領域有著20年的從業經驗，他同時也是金屬增材制造企業雷尼紹公司的一名研發總監，他還與骨科器械巨頭Stryker公司合作進行植入物的研究工作。

Sutcliffe教授表示，提到3D打印植入物，人們通常會立即考慮到該技術在個性化植入物制造中的價值，在治療某些骨骼嚴重受損的病例時，例如重建下頜骨時，通過3D打印技術制造定制化植入物的確是一種很好的解決方案，但這并不意味著所有骨科植入物治療都有必要使用個性化植入物。

骨骼是一種活體，它將與適合的植入物結合，3D打印植入物中的多孔結構使這種融合更有效。圖片來源： Stryker Orthopedics。

容易被人忽略的是，通過3D打印技術批量制造標準植入物其實是個更大的市場，但每款植入物仍可以生產不同的尺寸，由醫生為患者選擇***合適的尺寸進行植入。這就像商店里面出售的鞋子一樣，制造商通常會為每款鞋子制造出不同尺寸，人們購買時只需選用與自己***為合適的尺寸。

與傳統植入物制造技術相比，3D打印技術在成本、效率方面并不占優勢，那么為什么Sutcliffe教授認為標準化植入物制造是個更大的市場呢？ 3D打印技術還有哪些特有優勢呢？

在3D打印植入物表面充滿了三維孔隙，這些孔看上去與人體骨骼的結構非常類似，這些仿生結構是由3D打印設備整體制造完成的，它們與植入物的壽命有關。

金屬3D打印制造的三維多孔結構。圖片來源：Renishaw

Sutcliffe教授表示，3D打印植入物多孔表面的模量低于常規植入物，所以金屬植材料和骨骼之間的剛度差異會減小，這使得植入物與骨骼之間能夠更好的“貼合”，并實現有效的骨整合。

Sutcliffe教授表示，如果把比骨骼更為堅硬的材料植入人體，那么更為堅硬的植入物材料將承擔更大的應力，而骨骼承擔的應力減少，這種現象會到導致人體骨組織體積和密度逐漸下降，從而導致骨折或植入物松動。初始的松動將導致磨損以及進一步的松動，***終導致植入物失敗。

根據3D科學谷的了解，骨骼是一種活體材料，根據沃爾夫定律（Wolff’s Law），人體骨骼將根據它所承受的負荷進行重塑，在負荷減少的情況下，骨骼會逐漸失去骨量，或者可能發生骨吸收，引起骨折、脫位、松動。

Sutcliffe教授提到的這種顯現是應力屏蔽現象，應力屏蔽就是說，當兩種模量不同的材料放在一起使用時，模量大的材料承擔更大的應力。以常見的植入物制造材料鈦合金為例，當該材料被移植入體內，由于鈦合金的模量遠大于人體骨骼的模量，所以鈦合金承擔更多的應力作用，這將不利于新骨的生長。

金屬植入物的增材制造流程

金屬植入物制造的主要流程是：植入物CAD設計模型-打印準備-數據輸入打印設備，然后進入到打印過程，在此過程中對質量的實時監控尤為重要。

Renishaw 的過程中質量控制技術是通過質量控制軟件（例如其***新的InfiniAM Spectral軟件）收集大量熔池數據，以實現可追溯的生產和工藝優化。

Sutcliffe 教授表示，雷尼紹每天約收集1TB 的數據，這些數據可用于分析是否對將來的生產有用。

挑戰與機遇

目前增材制造技術制造植入物的成本仍比傳統技術高，制造速度也有待提升，專為增材制造而設計一款植入物產品的難度也較高。但是一旦制造企業開發出適合用增材制造技術生產的產品，后面會得到快速的發展。

目前接受植入物手術的患者平均年齡為70歲，也就是說很多接受植入物置換治療的患者都是高齡患者。這是由于市場上常見植入物的壽命約為15年，在植入物失敗后需要進行更換，通常患者會在忍受多年病痛之后再接受植入手術。

理論上講，針對增材制造而設計的植入物擁有更長的壽命，這使得需要進行骨關節置換的患者能夠在更年輕時接受植入手術。Sutcliffe 教授表示，雖然目前增材制造植入物用于臨床治療的時間還不足夠長，但至少早期數據顯示，3D打印植入物與常規植入物的表現同樣良好，相信未來3D打印植入物表現出的效果會更好。