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
Побољшајте рану и дугорочну{0}}ефикасност
Сродни истраживачки радови објављени у часопису Биоацтиве Материалс
хттпс://дои.орг/10.1016/ј.биоацтмат.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
Велики сегментни дефекти костију услед трауме, инфекције или ресекције тумора одувек су били изазован клинички проблем. Око 5% -10% прелома доживи одложено спајање или незарастање, а скоро сав сегментни губитак кости резултира незарастањем. Широм света, годишње се ради више од 2,2 милиона коштаних трансплантата за лечење коштаних дефеката у ортопедији, неурохирургији и стоматологији.
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.
Међутим, клиничка пракса показује да ови третмани нису идеални, а понекад чак и непоуздани. Транспорт костију кроз Илизаров поступак обично траје неколико месеци да се зарасте, а за то време пацијент није у стању да се креће нормално. Још је мање вероватно да ће се ова метода користити за лечење више-сегментних скелетних дефеката кичме. Маскуелет техника и метода аутологног васкуларизованог кортикалног пресађивања костију помажу у побољшању коштане фузије, али је тешко постићи непосредну постоперативну стабилизацију. Због потребе за великом количином алогене/аутологне кости као материјала за пресађивање кости, често је потребно додатно хируршко уклањање кости (као што је уклањање илијачне кости). Метода уградње титанијумске мрежице у подручје коштаног дефекта у одређеној мери пружа погодност за примену различитих материјала за калемљење, али је њен ефекат фиксације ограничен, а има и недостатке лаког лабављења, слегања или померања. У ствари, технике као што су Илизаров и Маскуелет такође је тешко применити на одређеним местима дисоцијације, као што је метафиза.
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.
блок 3Д штампа порозне титанијумске имплантате
"Implant-bone" interface fusion
У поређењу са горе-поменутим методама које захтевају велику количину алогеног/аутологног пуњења костију, примена 3Д-штампаних имплантата од порозне легуре титанијума за поправку и реконструкцију коштаних дефеката изгледа да има очигледне предности. Прво, имплантати се могу прецизно прилагодити према облику коштаног дефекта, без потребе за коштаним графтом; поред тога, у складу са предностима металне протезе, уређај за фиксирање може бити дизајниран тако да се постигне тренутна стабилизација између имплантата и суседних костију, тако да пацијент може да устане из кревета рано након операције; Порозне структурне карактеристике, привлачећи суседно коштано ткиво да урасту у њега, и коначно постижу трајну фузију имплантата-костног интерфејса.
Слика 1. Радиолошка и биомеханичка анализа 3Д штампаних порозних имплантата Ти6А14В за реконструкцију феморалног дефекта од 4 цм. (А) рендгенски снимци 1, 3 и 6 месеци након имплантације (и-иии) Слике компјутеризоване томографије 1, 3 и 6 месеци након имплантације (ив-ви) . Плаве стрелице означавају новоформирану кост на месту дефекта или на спољној површини имплантата. (вии) Радиолошки резултат сваке групе. (н=4) (Б) МицроЦТ 3Д реконструкцијске слике (и-иии) група 1, 3 и 6 месеци након жртвовања (сива означава легуру титанијума, зелена означава нову кост). (ив) Квантитативни резултати фракције запремине кости у пери-имплантату и у-областима форама сваке групе (н=4).
Међутим, клинички терапеутски ефекат коришћења 3Д штампаних порозних имплантата за поправку коштаних дефеката (нарочито дефекта великих-сегмената костију) захтева не само потврду резултата посматрања праћених-случајева, већ и резултати релевантних експерименталних студија на животињама као доказ. У том циљу, истраживачки тим је спровео-дубина и систематска истраживања и истраживања.
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.
Слика 5. 3Д-штампани порозни Ти6Ал4В имплант за реконструкцију феморалног дефекта (случај 2). Кс реконструисаног феморалног дефекта од 11 цм непосредно после последње операције (А) и 2 (Б), 5 месеци (Ц), 8 месеци (Д), 14 месеци (Е) и 20 месеци (Ф) након слике линије имплантације. Плаве стрелице указују на осеоинтеграцију између имплантата и кости домаћина.
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.
ГМКЈ Тецхнологи је дубоко ангажована на здравим и паметним изворима светлости, обезбеђујући тржишту читав спектар ултраљубичастих УВА УВБ УВЦ ЛЕД, инфрацрвених ИР ЛЕД ВЦСЕЛ производа и решења, и има стотине-квалитетних партнера у земљи и иностранству тржишта да заједнички промовишу употребу светлосне технологије за стварање здравог и паметног живота. .
