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
Βελτιώστε την πρώιμη και μακροπρόθεσμη- αποτελεσματικότητα
Σχετικές ερευνητικές εργασίες που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό 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
Τα μεγάλα τμηματικά ελαττώματα των οστών λόγω τραύματος, λοίμωξης ή εκτομής όγκου ήταν πάντα ένα προκλητικό κλινικό πρόβλημα. Περίπου το 5 τοις εκατό -10 τοις εκατό των καταγμάτων εμφανίζουν καθυστερημένη ένωση ή μη ένωση, και σχεδόν όλη η τμηματική απώλεια οστού οδηγεί σε μη ένωση. Παγκοσμίως, περισσότερα από 2,2 εκατομμύρια οστικά μοσχεύματα πραγματοποιούνται ετησίως για τη θεραπεία οστικών ελαττωμάτων στην ορθοπεδική, τη νευροχειρουργική και την οδοντιατρική.
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.
Ωστόσο, η κλινική πρακτική δείχνει ότι αυτές οι θεραπείες δεν είναι ιδανικές και μερικές φορές ακόμη και αναξιόπιστες. Η μεταφορά των οστών μέσω της διαδικασίας Ilizarov διαρκεί συνήθως αρκετούς μήνες για να επουλωθεί, κατά τη διάρκεια των οποίων ο ασθενής δεν μπορεί να κινηθεί κανονικά. Αυτή η μέθοδος είναι ακόμη λιγότερο πιθανό να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία πολυ-τμηματικών σκελετικών ανωμαλιών της σπονδυλικής στήλης. Η τεχνική Masquelet και η μέθοδος αυτόλογης αγγειοποίησης φλοιώδους μοσχεύματος βοηθούν στην ενίσχυση της σύντηξης των οστών, αλλά είναι δύσκολο να επιτευχθεί άμεση μετεγχειρητική σταθεροποίηση. Λόγω της ανάγκης για μεγάλη ποσότητα αλλογενούς/αυτόλογου οστού ως υλικό οστικού μοσχεύματος, απαιτείται συχνά επιπλέον χειρουργική αφαίρεση οστού (όπως αφαίρεση λαγόνιου οστού). Η μέθοδος εμφύτευσης του πλέγματος τιτανίου στην περιοχή του ελαττώματος των οστών παρέχει ευκολία για την εφαρμογή διαφόρων υλικών μοσχεύματος σε κάποιο βαθμό, αλλά το αποτέλεσμα στερέωσης του είναι περιορισμένο και έχει επίσης τα μειονεκτήματα της εύκολης χαλάρωσης, καθίζησης ή μετατόπισης. Στην πραγματικότητα, τεχνικές όπως ο Ilizarov και το Masquelet είναι επίσης δύσκολο να εφαρμοστούν σε ορισμένες θέσεις διάστασης, όπως η μετάφυση.
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.
μπλοκ 3D εκτυπώνει εμφυτεύματα πορώδους τιτανίου
"Implant-bone" interface fusion
Σε σύγκριση με τις παραπάνω-προαναφερθείσες μεθόδους που απαιτούν μεγάλη ποσότητα αλλογενούς/αυτόλογης πλήρωσης οστού, η εφαρμογή 3D-εκτυπωμένων εμφυτευμάτων πορώδους κράματος τιτανίου για την επιδιόρθωση και την αναδόμηση οστικών ελαττωμάτων φαίνεται να έχει προφανή πλεονεκτήματα. Πρώτον, τα εμφυτεύματα μπορούν να προσαρμοστούν με ακρίβεια ανάλογα με το σχήμα του οστικού ελαττώματος, χωρίς να απαιτείται οστικό μόσχευμα. Επιπλέον, σύμφωνα με τα πλεονεκτήματα της μεταλλικής πρόσθεσης, μπορεί να σχεδιαστεί μια συσκευή στερέωσης για να επιτυγχάνεται άμεση σταθεροποίηση μεταξύ του εμφυτεύματος και των παρακείμενων οστών, έτσι ώστε ο ασθενής να μπορεί να σηκωθεί νωρίς από το κρεβάτι μετά την επέμβαση. Πορώδη δομικά χαρακτηριστικά, προσέλκυση παρακείμενου οστικού ιστού για να αναπτυχθεί σε αυτό και τελικά επιτυγχάνεται μόνιμη σύντηξη της οστικής διεπαφής του εμφυτεύματος-.
Εικόνα 1. Ακτινολογική και εμβιομηχανική ανάλυση τρισδιάστατων εκτυπωμένων πορωδών εμφυτευμάτων Ti6A14V για την ανακατασκευή ενός μηριαίου ελαττώματος 4 cm. (Α)-Εικόνες ακτίνων Χ 1, 3 και 6 μήνες μετά την εμφύτευση (i-iii) Εικόνες αξονικής τομογραφίας 1, 3 και 6 μήνες μετά την εμφύτευση (iv-vi) . Τα μπλε βέλη υποδεικνύουν νεοσχηματισμένο οστό στο σημείο του ελαττώματος ή στην εξωτερική επιφάνεια του εμφυτεύματος. (vii) Ακτινολογική βαθμολογία κάθε ομάδας. (n=4) (Β) Εικόνες ανακατασκευής 3D MicroCT (i-iii) των ομάδων 1, 3 και 6 μήνες μετά τη θυσία (το γκρι υποδηλώνει κράμα τιτανίου, το πράσινο υποδηλώνει νέο οστό). (iv) Ποσοτικά αποτελέσματα του κλάσματος όγκου οστού στο περι-εμφύτευμα και στις-περιοχές του τρήματος κάθε ομάδας (n=4).
Ωστόσο, το κλινικό θεραπευτικό αποτέλεσμα της χρήσης τρισδιάστατων εκτυπωμένων πορωδών εμφυτευμάτων για την επιδιόρθωση οστικών ελαττωμάτων (ειδικά μεγάλα-ελαττώματα οστών) απαιτεί όχι μόνο την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων παρατήρησης των-περιπτώσεων παρακολούθησης, αλλά και αποτελέσματα σχετικών πειραματικών μελετών σε ζώα ως απόδειξη. Για το σκοπό αυτό, η ερευνητική ομάδα διενήργησε-εις βάθος και συστηματική εξερεύνηση και έρευνα.
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.
Εικόνα 5. Τρισδιάστατο-εκτυπωμένο πορώδες εμφύτευμα Ti6Al4V για την αναδόμηση του μηριαίου ελαττώματος (περίπτωση 2). Χ του ανακατασκευασμένου μηριαίου ελαττώματος 11 cm αμέσως μετά την τελευταία χειρουργική επέμβαση (Α) και 2 (Β), 5 μήνες (Γ), 8 μήνες (Δ), 14 μήνες (Ε) και 20 μήνες (ΣΤ) μετά την εικόνα γραμμής εμφύτευσης. Τα μπλε βέλη υποδεικνύουν την οστεοενσωμάτωση μεταξύ του εμφυτεύματος και του οστού του ξενιστή.
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.
Η GMKJ Technology ασχολείται βαθιά με υγιεινές και έξυπνες πηγές φωτός, παρέχοντας στην αγορά μια πλήρη γκάμα προϊόντων και λύσεων υπεριώδους UVA UVB UVC LED, υπέρυθρων IR LED VCSEL και έχει εκατοντάδες-συνεργάτες υψηλής ποιότητας σε εγχώριους και ξένους αγορές για να προωθήσουν από κοινού τη χρήση της τεχνολογίας φωτός για τη δημιουργία μιας υγιούς και έξυπνης ζωής. .
