関節手術の分野における3Dプリント技術の応用における研究の進歩

3D印刷技術は、デジタルモデルファイルに基づいて、粉末金属、エンジニアリング材料、生体材料、およびその他の接着材料から層ごとに3次元オブジェクトを構築する技術です。 3D印刷技術には、主にステレオリソグラフィー（SLA）、選択的レーザー焼結（SLS）、熱溶解積層法（FDM）、インクジェット印刷技術などが含まれます。デジタルモデリング技術、数値制御技術、情報技術、材料科学、組織工学技術などの最先端技術の急速な発展と、複数の分野の深い統合のおかげで、3D印刷技術は急速に発展し、多くの分野で広く使用されています。人々の生活分野。 3D印刷技術は継続的に拡張され、医療分野のあらゆる側面に適用されています。その中でも、整形外科3D印刷技術は、デジタル医療の正確で低侵襲でパーソナライズされた要素を完全に統合し、整形外科疾患の正確な治療に強力な支援を提供します。印刷機器と印刷材料の絶え間ない革新により、個別化された骨と関節の病気の患者のための修復と再建インプラントも「プライベートなカスタマイズ」を達成することが期待されています。関節手術における3D印刷技術のさまざまな革新的なアプリケーションが出現し続けており、人工関節置換術の臨床治療効果を大幅に促進しています。著者は関節手術の分野における3Dプリンティング技術の研究の進歩を要約し、報告書は以下のとおりです。

原理と材料の応用を形成する3D印刷技術


https://www.htrlaser.com/product-p1306651.html
3D印刷技術では、最初にコンピューター支援設計（CAD）またはリバースエンジニアリング（RE）を通じてデジタルモデルを取得し、次に対応するラピッドプロトタイピング装置を使用して特定の材料を層ごとに3次元エンティティに積み重ねる必要があります。リバースエンジニアリング技術は、最も一般的なデジタルモデル構築方法の1つであり、主にデジタル機器を使用してエンティティをスキャンおよび測定し、リバースエンジニアリングソフトウェアを使用して点群データを処理およびカプセル化し、最終的に対応するオブジェクトのステレオリソグラフィー（STL）を取得します。 。デジタルモデル。次のステップでは、3D印刷は、仮想3次元モデルを3Dプリンターに入力して層状に製造し、SLA、SLS、FDMなどの成形プロセスを通じて材料を正確に積み重ね、層ごとに印刷して、最終的に印刷されたモデルと同じ1：1の物理オブジェクト。現在、3D印刷材料には、主に金属材料、無機非金属材料、有機ポリマー材料、および生物学的材料が含まれます。チタン合金、ニッケル合金、コバルトクロム合金などの一般的な金属材料は、高強度、耐食性、生体適合性という利点があり、航空宇宙、自動車産業、生物医学分野で広く使用されています。無機非金属高い圧縮強度、高い硬度、高温耐性を持ち、建設、国防、医療分野で広く使用されているセラミック、ガラスなどの材料、ABS樹脂、感光性樹脂、ニッケルなどの有機ポリマー材料、ポリエーテルエーテルケトンなど、これらの材料は成形速度があり、高速、低密度、優れた絶縁性を備えており、金型注入、建設、医療業界で使用できます。シルクフィブロイン、細胞、ハイドロゲルなどの生体材料は、生物医学分野での人体組織および臓器修復インプラント材料の研究開発に新しい要素を注入し、生物医学分野での3D印刷技術の開発を促進しました。



関節形成術前教育における3Dプリントモデルの適用


クラスIレーザー
股関節と膝関節は可動範囲が広く、動きの過程で関節の安定性を維持できます。これは主に、周囲の複雑で安定した構造によるものです。股関節と膝関節の周りの神経と大きな血管に加えて、筋肉群によって表される動的な安定構造と靭帯によって表される静的な安定構造が関節の周りに取り付けられています。これらは異なる機能を実行し、関連する解剖学的構造もより多くなります。外科的アプローチの選択および操作中に、外科医は上記の安定した構造の完全性を可能な限り保護する必要があります。これまで、整形外科医は、従来の解剖学教育法に依存して、さまざまな関節手術アプローチについてさまざまなレベルの理解を持っていました。これにより、外科手術中に外科チームのメンバー間で認識と情報に違いが生じることが避けられませんでした。術前計画のための関節手術の分野での3D印刷技術の適用には、より大きな利点があります。画像の読み取りや通常の標本観察とは異なり、3D印刷モデルは、医師にとってより直感的で具体的な1：1の個別化を復元します。病変モデルは低年齢の医師が患者の状態についての理解を深めるのに役立ちます。また、手術計画の設計や術中手術の詳細の伝達にも非常に重要です。同時に、病変モデルと術前手術のデモンストレーションは、手術チームが体外で術前手術を完了し、リスクと対応する計画を的を絞って提案するのにも役立ちます。これにより、術前機器の準備がより適切かつ包括的になります。操作がスムーズに行えます。フリッツらは、大腿骨遠位部と膝蓋骨の3D印刷された解剖学的モデルを、従来のX線フィルムおよびCTと比較し、3Dモデルが若手医師の診断レベルを大幅に改善できることを発見しました。 Shu Shijunらは、3D印刷技術を使用して、解剖学的動脈と静脈を含む骨盤骨折の個別モデルを作成し、そのモデルに基づいて最終的な手術計画について話し合いました。彼らは、手術時間、術中の失血、および3Dでの輸血を発見しました。印刷グループは、従来の手術グループよりも有意に低かった。 Liu Yongzhengらは、3D印刷技術を使用して、複雑な股関節疾患の人工股関節全置換術を支援し、3D印刷技術の適用により、手術時間を大幅に短縮し、術中の失血量を減らし、合併症の発生を減らすことができることを発見しました。 3D印刷モデルはまた、患者が自分の病気を完全に理解することを可能にすると同時に、医師が手術方法、術中および術後の合併症などをより直感的に説明するのに役立ち、患者の治療に対する自信をある程度向上させます病気と治療の。サービスの満足度。



関節手術における3Dプリントされたパーソナライズされた補助器具の応用



従来の整形外科手術におけるスクリューの配置および骨切り術中の正確さを確保し、末梢神経、血管、臓器およびその他の重要な構造への損傷を回避するために、外科医の経験およびスクリューの位置に依存することがしばしば必要です。何度も操作すると、操作時間が長くなります。また、ネジが緩んだり、故障したりする恐れがあります。 3Dプリントされた骨切り術ガイドプレートは、患者の術前CTデータに基づいて3次元再構成を実行し、術中のスクリュー配置ポイント、方向、深さを決定し、パーソナライズされた外科用ガイドを設計します。操作は操作を簡素化し、操作を改善することができます。精度と効率。 Zhangらは、3D印刷された骨切り術ガイドを使用して、内反の変形の矯正を支援し、3D印刷グループの個別の骨切り術ガイドを遠位上腕骨に密着させることができ、すべての1回限りの骨切り術が成功したことを発見しました。高い外科的効率と術中の失血を伴います。少ないですが、外科的切開は小さく、骨切り術ガイドプレートの全体的なデザインはくさび形であり、術中の滑りによる逸脱を防ぐためにキルシュナーワイヤーガイド穴が装備されています。



Chen Guoxianらは、3D印刷技術を使用して、高位脛骨骨切り術を支援し、膝内反変形性関節症を治療する骨切り術ナビゲーションテンプレートを設計および印刷しました。結果は、3D印刷骨切り術ガイドプレートが術中の蛍光透視法および骨切り術の数を減らすことができることを示しています。 。手術時間は短く、外傷は少なく、合併症は発生しません。従来の関節置換術は、主に外科医の経験に基づいてプロテーゼの位置と角度を設計するため、外科医には高度な技術的要件が必要です。特に複雑な患者の場合、術中の解剖学的位置情報と手術の正確さを把握するのは難しいことがよくあります。 3D印刷された個別の補助手術器具は、患者の術前画像データに応じてカスタマイズできます。これにより、外科医は複雑な症例で解剖学的変形に冷静に向き合い、患者の四肢機能を正確に再構築できます。 Sunらは、専用の3D印刷髄内ガイドを設計し、患者に対して3D印刷された個別支援人工膝関節全置換術と従来の人工膝関節全置換術をそれぞれ実行しました。手術後、3D印刷された個別グループの髄内ガイダンス深度は小さいことがわかりました。そして、パテラより良い運動軌道は、より良いアライメントとインプラント配置のより高い精度を達成することができます。 Zhang Yuanzhiらは、コンピューターを使用して下肢の機械軸と髄内ポジショニングチャネルの決定を支援し、人工膝関節全置換術用のナビゲーションテンプレートを印刷しました。彼らは、ナビゲーションテンプレートグループの操作が簡単であることに気付きました。時間が大幅に短縮され、補綴物の配置の精度が高くなりました。 Wang Yuehuiらは、3Dプリントされた股関節回転センターロケーターを使用して人工股関節全置換術を支援しました。手術後、影響を受けた側の股関節回転中心が影響を受けていない側の解剖学的回転中心と一致し、プロテーゼが正確に配置されていることがわかりました。異所性骨化なし。



3Dプリント人工関節の臨床応用



従来の標準化されたプロテーゼは標準化された設計を使用しているため、複雑な関節骨折、修正手術、または骨腫瘍によって引き起こされる重度の骨組織欠損に直面した場合、既存の仕様シリーズのいずれもホストの骨とうまく一致しないという問題がしばしば発生し、結果としてプロテーゼになります緩みは、手術後に時期尚早に発生しました。 3D印刷技術は、患者自身の画像データを組み合わせて、対応する解剖学的構造または骨組織の欠陥に一致する高精度のパーソナライズされたプロテーゼを設計できます。現在、3Dプリントのパーソナライズされたデザインプロテーゼは整形外科クリニックで広く使用されています。 Fu Junらは、血管新生化腓骨とバイオセラミックを組み合わせた3D印刷チタン合金プロテーゼを使用して、下肢腫瘍切除後の長セグメント骨欠損の5人の患者を修復および再建しました。フォローアップでは腫瘍の再発や肺転移はありませんでした。MSTS骨軟組織腫瘍協会のスコアは17から26であり、画像検査は、プロテーゼと患者の周囲の骨組織が良好なモザイクを持っていることを示しました。 Wang et al。は、寛骨臼周囲の悪性腫瘍を有する26人の患者のために、3D印刷により、カスタムメイドの多孔質構造を備えた一連の統合された半骨盤プロテーゼを設計しました。操作。局所再発。 Pei Yanjunらは、下肢の悪性骨腫瘍を切除した後、大きな骨欠損を再建するためのパーソナライズされたプロテーゼを設計および3D印刷しました。有限要素分析により、プロテーゼの全体的な応力は材料の強度範囲内にあり、よく一致していることが示されました。 MSTSスコアは良好で、合併症は発生せず、治癒効果は満足のいくものでした。補綴物の生存率に関しては、従来の補綴物と周囲の骨組織との界面の接着強度が不十分であり、補綴物が緩んで早期に破損することがよくありますが、3D印刷技術では微孔性の表面を生成できます直径150〜500μmの高多孔性人工関節で、形成された粗い表面は高分子を吸着しやすく、骨細胞の増殖、接着、骨形成に影響を与え、骨組織の内部成長を促進し、長期的に得られます。安定。 Wauthle et al。は、ラット大腿骨のin-situ荷重負荷骨欠損モデルを使用して、平均孔径500μm、気孔率80％の3Dプリント多孔質タンタルプロテーゼの骨内殖性能を評価しました。大量の骨微孔質表面に12週間で観察できます。それは成長し、体と骨の界面がしっかりと接続され、うまく機能します。 Su Kexinらは、白ウサギの両側大腿骨顆の骨欠損を修復するために、3Dプリント技術により、孔径400μm、気孔率70％の多孔質タンタルインプラントを作成しました。インプラントの体と骨の界面は8週間後に再生します。 。骨組織は徐々に増加し、新しい骨の小柱が現れて材料の細孔に成長しました。結果は、3Dプリント多孔質タンタルが優れた骨の内部成長特性を持っていることを示しています。



骨および関節の損傷の修復および再建における3Dバイオプリンティングの適用



医療用合金人工関節プロテーゼの開発は、四肢の骨や関節の損傷を治療するための効果的な機能再建プログラムを提供しますが、プロテーゼの寿命と固有の材料特性により、患者の四肢機能が最も自然で安定した状態に戻ることは困難です。州。近年の生体材料の急速な発展は、骨および関節の損傷の自然な修復および再建のための新しい方法を提供してきました。現在、骨や関節の軟骨欠損を再建するための臨床的手法は飛躍的な進歩を遂げておらず、そのため、国内外の多くの学者が細胞および生体材料レベルでの生物学的3D印刷技術の研究に焦点を合わせ始めています。組織工学技術を完全に統合して、生細胞（種子）と細胞外マトリックス（成長因子を含む）の結合を実現し、新しいタイプの「生物学的に活性なインク」を作成します。レイヤーバイレイヤーの堆積プロセスにより、最終的に非常に複雑な3D印刷と製造が実現します。骨や軟骨などの組織により、組織の移植や再建の生物学的問題を解決します。活動の問題。現在のバイオ3D印刷技術では、生体接着剤を使用して、関節軟骨、半月板、椎間板、耳介などの軟骨様組織の3次元足場モデルを構築できますが、足場の軟骨細胞。 Zhang Binらは、低温蒸着3D印刷技術を使用して、ポリ乳酸-グリコール酸コポリマー（PLGA）足場を作成し、脱細胞化関節軟骨細胞外マトリックス（DACECM）と組み合わせて、PLGA / DACECM軟骨組織工学足場を作成しました。電子顕微鏡下で多数の軟骨細胞がPLGA / DACECM指向の足場とDACECM指向の足場に付着して成長します。 Shen Shiらは、3次元印刷低温堆積技術を使用して、ポリカプロラクトン/コラーゲン組織工学メニスカス足場（PCL / COL-Iメニスカス足場）を作成しました。元のポリカプロラクトンメニスカス足場と比較して、細胞はPCLにあります。 / COL-Iメニスカス足場に付着した細胞の割合が高くなっています。関節軟骨、半月板、および椎間板は体内で生理学的負荷を受けるため、対応する組織工学構造には特定の機械的強度が必要です。これには、ステント内の細胞の生存率と安定性を確保するための理想的な機械的特性が必要です。組織の。この問題を解決する現在の方法は、3D印刷プロセスと材料から始めることです。これにより、接着剤材料の接続強度と材料自体の機械的特性が特定の要件を満たします。 Yanらは、骨の発達段階に触発され、表面アンモニア分解とレイヤーバイレイヤーアセンブリ技術によって3Dプリントされた生分解性足場を準備しました。デフェロキサミンの制御放出により、足場の分解は分化と再構築に関連しています。一致すると、結果は、足場が天然の海綿状骨と同様の機械的特性を持っていることを示しています。 Luiらは、3D印刷技術を使用して、多孔質界面を備えたポリカプロラクトン多相骨-靭帯-骨足場（BLB）を作成しました。生体力学的強度は生理学的負荷条件を満たしています。動物実験の結果は、BLB足場が強力な繊維ガイダンスを持っていることを示しています。 。特徴。今日、3Dバイオプリンティングは日を追うごとに変化しており、細胞および足場材料技術は一定の結果を達成していますが、invitroでの組織の構築は依然として課題に満ちています。細胞外マトリックスは複雑すぎてinvitroでその構造と生物学的特性をシミュレートできず、既存の層ごとの沈着プロセスでは細胞の栄養と酸素供給の問題を解決できません。これらの研究はまだ破られる必要があります。



見通し



この段階では、3Dプリント技術にはまだ臨床応用に一定の制限があります。第一に、医療用途に適した3D印刷材料の種類が限られており、新しい材料の研究開発により、生物医学の分野での応用の可能性がさらに広がります。第二に、生物医学による骨や軟骨の欠陥の修復に関する研究です。 3D印刷はまだinvitroです。動物実験の段階では、臨床応用の有効性と安全性をさらに調査する必要があります。第3に、3D印刷技術の関連法規を改善する必要があり、関連業界の基準は次のとおりです。まだ空白であり、実用的な管理基準とポリシー文書を発行することが急務です。さらに、既存の予備アプリケーションの説得力のある長期フォローアップデータがまだ不足しており、高い証拠レベルの臨床研究がまだ残っています。将来的に実行されます。しかし、3D印刷技術と材料科学の継続的な革新により、骨と関節の変性疾患、外傷、腫瘍によって引き起こされる組織欠損の修復と再構築、およびパーソナライズされた正確なオプションがさらに登場すると信じる理由があります。 3D印刷、低侵襲要素は、関節手術の持続可能な開発を強力に促進します。