醫(yī)療行業(yè)極大地受益于增材制造的進(jìn)步。憑借為每位患者創(chuàng)造獨(dú)特設(shè)計的能力，個性化醫(yī)療終于成為現(xiàn)實(shí)。醫(yī)療植入物是一個特別敏感的領(lǐng)域，因為它們涉及將外部元件引入體內(nèi)以替代失效的功能或治療疾病。為了確保最佳的兼容性，這些植入物必須進(jìn)行定制設(shè)計，這解釋了為什么增材制造在該領(lǐng)域變得至關(guān)重要。

本文，魔猴網(wǎng)將和大家一起學(xué)習(xí)一系列使用3D打印制造的植入物。該排名包括已批準(zhǔn)的植入物以及仍處于研究階段的其他植入物，從而說明了該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的潛力和持續(xù)進(jìn)步。

3D打印的耳朵植入物

錘子、砧子和馬鐙是位于我們耳朵中的三塊骨頭，是人體中最小的骨頭，因為它們在出生后不會生長。因此，它們的形狀、大小和位置對于確保耳朵的正常功能非常重要。然而，有時這些骨頭會斷裂，需要更換。這就是南非發(fā)生的事情，一名患者在一場車禍后植入了3D打印的鈦小骨。對他的中耳進(jìn)行3D掃描后，手術(shù)背后的外科醫(yī)生團(tuán)隊能夠?qū)Χㄖ频闹踩胛镞M(jìn)行建模，隨后在激光粉末床融合機(jī)上進(jìn)行打印。在這種情況下，鈦因其生物相容性和強(qiáng)度而受到青睞。

聽小骨是人體最小的骨頭之一。照片顯示的是真正的小骨，而不是植入物

腫瘤切除后3D打印頜骨植入物

Anelia Myburgh是一名澳大利亞患者，她植入了3D打印下頜植入物，使她能夠重建臉部。她的下巴和牙齒上長有惡性腫瘤，醫(yī)生不得不將其切除。在此過程中，他們必須切除患者面部的一部分，從而導(dǎo)致面部嚴(yán)重變形。這個案例促使頜面外科醫(yī)生George Dimitroulis探索增材制造用于創(chuàng)建個性化模型的可能性。他創(chuàng)造了一種帶有鈦框架的頜骨植入物，能夠植入骨移植物。經(jīng)過5個多小時的手術(shù)和幾個月的恢復(fù)期，可以說手術(shù)是成功的。

雷尼紹的胸腔

由于胸部腫瘤，71歲的威爾士人彼得·馬格斯不得不切除三根肋骨和部分胸腔。他的肋骨軟骨中有一個網(wǎng)球大小的腫瘤，經(jīng)過8小時的手術(shù)后被切除。胸腔的這些缺失部分已成功地用定制植入物替換。醫(yī)生們選擇金屬3D打印作為制造方法，并轉(zhuǎn)向雷尼紹解決方案，能夠制造優(yōu)質(zhì)鈦零件。

3D打印硅膠心臟瓣膜

當(dāng)然，植入物不僅限于骨骼，盡管它們更容易制造，因此在市場上更常見。例如，人工心臟瓣膜是用硅樹脂制成的。這些3D打印的人造心臟瓣膜是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊與南非公司Strait Access Technologies合作的一部分，旨在替代老年人或患有疾病的人的瓣膜。如果研究人員轉(zhuǎn)向這種材料，那是因為它與人體相容。此外，3D打印使得制造完全適合患者的閥門成為可能。值得注意的是，盡管初步結(jié)果令人鼓舞，但研究人員估計這些3D打印心臟瓣膜還需要10年才能商業(yè)化。

AB Dental和增材制造的使用

AB Dental利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)制造個性化種植體，并在口腔頜面領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新。該公司的系統(tǒng)使醫(yī)生能夠比傳統(tǒng)方法更準(zhǔn)確地計劃牙科和面部修復(fù)治療。該公司為患者提供多種3D打印修復(fù)植入物，包括竇頂增強(qiáng)、眼眶骨修復(fù)和用于吸收頜骨的骨膜下植入物。

3D打印的人造碳視網(wǎng)膜

一名澳大利亞工程師開發(fā)出一種3D打印碳人工視網(wǎng)膜，幫助人們重獲視力。悉尼大學(xué)的馬修·格里菲斯博士在意識到人體就像計算機(jī)一樣只不過是碳基半導(dǎo)體之后，他開始聲名鵲起。有了這些知識，他決定可以通過制造一種吸收光然后產(chǎn)生電荷的碳（因此完全生物相容）裝置來復(fù)制眼睛，就像眼睛一樣。特別是由于3D打印的制造成本較低，他完全可以自己設(shè)計這種人造視網(wǎng)膜。盡管該設(shè)備尚未完成，三到五年后才會進(jìn)入臨床研究，但格里菲斯先生希望它對失明患者有用，甚至能夠恢復(fù)色覺，這是目前不可能。

Particle3D和骨植入物

Particle3D由兩名醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生和他們的教授于2014年推出，目標(biāo)是開發(fā)一種新的解決方案來替代被破壞或手術(shù)切除的骨頭。如今，Particle3D繼續(xù)根據(jù)自己的CT/MRI開發(fā)針對患者的骨植入物，從而生產(chǎn)出具有獨(dú)特的類骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的3D打印植入物，包含微孔和大孔，與真正的骨頭一模一樣。

3D打印軟骨植入物可對抗骨關(guān)節(jié)炎

在人類和狗身上，一層微小的軟骨可以保護(hù)關(guān)節(jié)表面，并使骨骼能夠正確地相互滑動。不幸的是，隨著時間的推移，這種軟骨會退化，從而導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛。為了克服這個問題，北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于織物的植入物，其中含有源自患者干細(xì)胞的軟骨。這種類型的植入物部分采用3D打印技術(shù)，已在一群患有髖關(guān)節(jié)問題的狗身上進(jìn)行了成功測試。這組人被分成兩部分，一組接受了植入物，另一組則沒有。正如您所預(yù)料的那樣，接受植入物的狗在手術(shù)后4個月就恢復(fù)了所有能力。

照片來源：Depositphoto

世界上最大的3D打印顱骨植入物

初創(chuàng)公司Arcomedlab通過使用3D打印制造出世界上最大的顱骨植入物，實(shí)現(xiàn)了一項壯舉。自成立以來，Arcomedlab已治療了600多個具體臨床病例，主要專注于個性化植入物的顱骨重建，以及定制的面部重建。此外，他們還進(jìn)行了各種復(fù)雜的手術(shù)計劃。目前，該公司能夠利用FDM和SLA 3D打印技術(shù)來完整重建各個年齡段患者的頭骨以及任何面部骨骼結(jié)構(gòu)。得益于這些技術(shù)進(jìn)步，他們突破了重建醫(yī)學(xué)的極限，并提供了適合每位患者特定需求的創(chuàng)新解決方案。

照片來源：Arcomedlab

伊萊恩研究項目

作為ELAINE（電活性植入物）研究項目的一部分，羅斯托克大學(xué)的研究人員正在致力于開發(fā)用于骨替代的生物活性結(jié)構(gòu)。目前，鈦植入物很常用，但它們有局限性：它們對身體解剖條件的適應(yīng)并不完善，而且隨著時間的推移它們可能會松動，導(dǎo)致長期問題。為了克服這些挑戰(zhàn)并改善骨缺陷的治療，科學(xué)家們正在探索增材制造提供的可能性。他們正在研究模仿天然骨骼結(jié)構(gòu)行為的電活性植入物，從骨骼生理學(xué)中汲取靈感。所選擇的材料是鈦酸鋇，能夠在與體液接觸時釋放離子。用于制造這些植入物的技術(shù)是LCM，一種光聚合技術(shù)。該過程涉及使用負(fù)載壓電陶瓷顆粒的聚合物，然后將其放入打印機(jī)中，通過光固化創(chuàng)建精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而賦予材料生物相容性。3D打印還有一個額外的好處，那就是可以制造針對每位患者量身定制的定制植入物。盡管該項目仍處于研究階段，但預(yù)計這些植入物可以在大約十年內(nèi)用于臨床環(huán)境。

未來，更大的植入物，例如用于顱骨重建的植入物，可能來自3D打印機(jī)。

“MyBone”鼻子移植手術(shù)

2022年，圖盧茲大學(xué)醫(yī)院、Claudius Regaud研究所和比利時CERHUM公司合作，利用3D打印成功重建癌癥患者的鼻子。這一創(chuàng)新過程涉及創(chuàng)建一種名為“MyBone”的個性化生物陶瓷植入物，它復(fù)制了人體骨骼的特征，并促進(jìn)骨整合和骨傳導(dǎo)性。這一切都始于對患者面部的詳細(xì)掃描，然后通過立體光刻技術(shù)3D打印植入物。首先將植入物放置在患者的前臂中，以促進(jìn)血管形成和細(xì)胞定植，這是細(xì)胞侵入植入物結(jié)構(gòu)內(nèi)并生長的關(guān)鍵過程。這一步完成后，鼻子就被移植到患者的臉上，并通過顯微外科手術(shù)連接到她的血管。這種方法實(shí)現(xiàn)了高水平的生物相容性和耐用性，同時最大限度地降低了感染風(fēng)險和未來更換的需要。該手術(shù)成功移植了功能齊全且美觀的鼻子，展示了3D打印在大型重建手術(shù)領(lǐng)域的巨大潛力。

照片來源：圖盧茲大學(xué)醫(yī)院

BellaSeno：3D打印乳房植入物

BellaSeno公司使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)由聚己內(nèi)酯（一種醫(yī)療保健領(lǐng)域常用的縫合材料）制成的乳房植入物。這些3D打印植入物適用于患有乳腺癌或其他乳腺疾病的患者，并設(shè)計用于重建和整形手術(shù)。BellaSeno開發(fā)了一種支持臨床兼容材料的3D打印解決方案。這些植入物設(shè)計為在五年內(nèi)完全吸收，在此期間它們會被體內(nèi)的天然脂肪細(xì)胞取代。對患者進(jìn)行的前十次測試顯示出有希望的結(jié)果，患者評價積極，3D植入物的安全性良好。外科醫(yī)生也對這些3D打印植入物的使用給出了積極的意見。

修復(fù)膝關(guān)節(jié)軟骨的植入物

Nanochon的使命是促進(jìn)膝蓋受傷患者的軟骨更換和修復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該公司使用3D打印技術(shù)，特別是擠壓技術(shù)，來制造植入物來替代受損或丟失的軟骨。該裝置稱為Chondrograft?，由創(chuàng)新的生物相容性復(fù)合材料制成，可促進(jìn)組織再生。Chondrograft?采用Nanochon專有的復(fù)合材料，通過熔絲制造工藝增材生產(chǎn)。該植入物的獨(dú)特之處在于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)：除了可見的微觀結(jié)構(gòu)外，它還具有亞微米孔隙度。這一特性在后處理后使植入物更加靈活和可延展，同時保持其結(jié)構(gòu)完整性。

照片來源：Nanochon

Matricelf骨髓植入物

2022年，以色列再生醫(yī)學(xué)公司Matricelf成功進(jìn)行了3D打印脊髓植入物的測試。這些植入物在患有慢性長期癱瘓的小鼠身上進(jìn)行了評估，結(jié)果顯示恢復(fù)行走能力的成功率為80%。Matricelf開發(fā)的技術(shù)首先對患者的網(wǎng)膜組織進(jìn)行活檢。然后對該組織進(jìn)行專有的脫細(xì)胞處理，產(chǎn)生耐熱水凝膠。同時，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）由患者的成熟細(xì)胞重新編程。測試水凝膠中的iPSC可以創(chuàng)建功能性的、患者特異性的神經(jīng)植入物，能夠修復(fù)受損的脊髓組織。盡管這些植入物到目前為止僅在小鼠身上進(jìn)行了測試，但科學(xué)家們對它們改變成千上萬因道路事故、跌倒和體育活動而遭受脊髓損傷的人的生活的潛力感到樂觀。研究仍在繼續(xù)，并已在美國和歐洲提交了將這些植入物用于人體的專利申請。

照片來源：Matricelf

3D打印踝關(guān)節(jié)假肢

麥考瑞大學(xué)的肢體重建中心通過使用3D打印植入物改進(jìn)了踝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。這些進(jìn)步為患有嚴(yán)重踝關(guān)節(jié)炎或外傷引起的關(guān)節(jié)損傷的患者提供了緩解和活動能力。這些植入物由羥基磷灰石等合成材料制成，模仿天然骨結(jié)構(gòu)并促進(jìn)骨整合，確保長期耐用性并降低術(shù)后并發(fā)癥的風(fēng)險。與限制活動性并可能導(dǎo)致其他關(guān)節(jié)問題的傳統(tǒng)踝關(guān)節(jié)融合和置換術(shù)不同，這些3D打印植入物可以在緩解疼痛的同時保留關(guān)節(jié)運(yùn)動。自2022年以來，整形外科醫(yī)生Tim O'Carrigan博士和Mustafa Alttahir博士一直在進(jìn)行這項手術(shù)，該手術(shù)需要的踝關(guān)節(jié)螺釘插入量和關(guān)節(jié)軟骨去除量顯著減少，從而可以更快地恢復(fù)并增加活動能力。

圖片來源：麥考瑞大學(xué)

第一頂3D打印兒童骷髏帽

2023年末，10歲的菲利克斯遭遇了一場事故，一塊金屬擊中了他的頭部，穿透了他的頭骨。這次事件導(dǎo)致他失明，盡管進(jìn)行了緊急手術(shù)，他的大部分頭骨仍然被毀壞。薩爾茨堡地區(qū)醫(yī)院的醫(yī)生隨后以3D方式重新打印了這頂無邊便帽。主要挑戰(zhàn)是僅根據(jù)掃描儀圖像重新創(chuàng)建蓋子而不保留其之前的狀態(tài)。在短短五天的時間里，他們成功地為頭骨制造了一個PEEK植入物，并在手術(shù)中將其植入。這是3D打印植入物首次應(yīng)用于兒童身上。PEEK不應(yīng)該給菲利克斯造成任何問題，并且應(yīng)該在他的體內(nèi)保留很多年，只有當(dāng)他的成長需要時才需要更換更大的模型。

事故發(fā)生后，Felix（身穿藍(lán)色T恤）在家人和SALK醫(yī)生的簇?fù)硐率盏搅艘豁?D打印的PEEK骷髏帽。（照片：索爾克/萊昂·伯恩霍夫）