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
تحسين الفعالية المبكرة والطويلة المدى -
الأوراق البحثية ذات الصلة المنشورة في مجلة 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
لطالما كانت عيوب العظام القطعية الكبيرة بسبب الصدمة أو العدوى أو استئصال الورم مشكلة إكلينيكية صعبة. يعاني حوالي 5 في المائة -10 في المائة من الكسور من تأخر في الاتحاد أو عدم الالتئام ، ويؤدي فقدان العظم القطاعي تقريبًا إلى عدم الالتئام. في جميع أنحاء العالم ، يتم إجراء أكثر من 2.2 مليون عملية ترقيع عظمي سنويًا لعلاج عيوب العظام في جراحة العظام وجراحة الأعصاب وطب الأسنان.
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.
ومع ذلك ، تظهر الممارسة السريرية أن هذه العلاجات ليست مثالية وأحيانًا لا يمكن الاعتماد عليها. عادةً ما يستغرق نقل العظام من خلال إجراء إليزاروف عدة أشهر للشفاء ، وخلال هذه الفترة يكون المريض غير قادر على الحركة بشكل طبيعي. ويقل احتمال استخدام هذه الطريقة في علاج - عيوب الهيكل العظمي القطاعية المتعددة في العمود الفقري. تساعد تقنية Masquelet وطريقة ترقيع العظم القشري ذاتي الأوعية الدموية على تعزيز اندماج العظام ، ولكن من الصعب تحقيق الاستقرار الفوري بعد الجراحة. نظرًا للحاجة إلى كمية كبيرة من العظم الخيفي / الذاتي كمواد تطعيم عظمي ، غالبًا ما يلزم إزالة عظم جراحي إضافي (مثل إزالة العظم الحرقفي). توفر طريقة زرع شبكة التيتانيوم في منطقة عيب العظام الراحة لتطبيق مواد التطعيم المختلفة إلى حد معين ، ولكن تأثير تثبيتها محدود ، كما أن لها عيوبًا تتمثل في سهولة فكها أو هبوطها أو إزاحتها. في الواقع ، يصعب أيضًا تطبيق تقنيات مثل إليزاروف وماسكليه في مواقع تفكك معينة ، مثل الكردوس.
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.
كتلة ثلاثية الأبعاد تطبع غرسات التيتانيوم المسامية
"Implant-bone" interface fusion
مقارنةً بالطرق المذكورة أعلاه - التي تتطلب قدرًا كبيرًا من حشو العظم الخيفي / الذاتي ، يبدو أن تطبيق غرسات سبائك التيتانيوم المسامية المطبوعة ثلاثية الأبعاد لإصلاح عيوب العظام وإعادة بنائها لها مزايا واضحة. أولاً ، يمكن تخصيص الغرسات بدقة وفقًا لشكل عيب العظام ، دون الحاجة إلى ترقيع العظام ؛ بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا لمزايا الأطراف الاصطناعية المعدنية ، يمكن تصميم جهاز تثبيت لتحقيق الاستقرار الفوري بين الغرسة والعظام المجاورة ، بحيث يمكن للمريض الخروج من السرير مبكرًا بعد الجراحة ؛ السمات الهيكلية المسامية ، تجذب النسيج العظمي المجاور لتنمو فيه ، وأخيراً تحقيق الاندماج الدائم للواجهة العظمية - المزروعة.
الشكل 1. التحليل الإشعاعي والميكانيكي الحيوي لغرسات Ti6A14V المسامية المطبوعة ثلاثية الأبعاد لإعادة بناء عيب فخذي يبلغ ارتفاعه 4 سم. (أ) صور الأشعة السينية - في 1 و 3 و 6 أشهر بعد الزرع (1 - 3) صور التصوير المقطعي المحوسب في 1 و 3 و 6 أشهر بعد الزرع (الرابع - السادس) . تشير الأسهم الزرقاء إلى عظم تم تشكيله حديثًا في موقع الخلل أو على السطح الخارجي للغرسة. (السابع) الدرجة الإشعاعية لكل مجموعة. (ن =4) (ب) صور إعادة البناء ثلاثية الأبعاد بتقنية MicroCT (i - 3) للمجموعات 1 و 3 و 6 أشهر بعد التضحية (اللون الرمادي يشير إلى سبيكة التيتانيوم ، والأخضر يشير إلى عظم جديد). (4) النتائج الكمية لكسر حجم العظام في محيط الغرسة - وفي مناطق الثقوب - لكل مجموعة (ن =4).
ومع ذلك ، فإن التأثير العلاجي السريري لاستخدام غرسات مسامية مطبوعة ثلاثية الأبعاد لإصلاح عيوب العظام (خاصة - عيوب العظام الكبيرة) لا يتطلب فقط تأكيد نتائج الملاحظة - للحالات ، ولكن أيضًا نتائج الدراسات التجريبية الحيوانية ذات الصلة كدليل. تحقيقًا لهذه الغاية ، أجرى فريق البحث - استكشافًا وبحثًا منهجيًا.
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.
الشكل 5. 3D - غرسة Ti6Al4V المسامية المطبوعة لإعادة بناء عيب الفخذ (الحالة 2). X للعيب الفخذي 11 سم الذي أعيد بناؤه مباشرة بعد الجراحة الأخيرة (أ) و 2 (ب) ، 5 أشهر (ج) ، 8 أشهر (د) ، 14 شهرًا (هـ) و 20 شهرًا (و) بعد صورة خط الزرع. تشير الأسهم الزرقاء إلى تكامل عظمي بين العظم المزروع والعظم المضيف.
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.
تعمل GMKJ Technology بعمق في مصادر الضوء الصحية والذكية ، حيث تزود السوق بمجموعة كاملة من منتجات وحلول الأشعة فوق البنفسجية UVA UVB UVC LED ومنتجات وحلول الأشعة تحت الحمراء IR LED VCSEL ، ولديها المئات من - الشركاء ذوي الجودة العالية في الداخل والخارج الأسواق للترويج المشترك لاستخدام تكنولوجيا الضوء لخلق حياة صحية وذكية. .
