西安交通大学教授王玲：个性化人工内植物的设计评价与临床应用

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体，到西安现场全程报道。

2019年9月 20 日“增材制造技术与生物医疗论坛”，西安交通大学教授王玲做了主题是《个性化人工内植物的设计评价与临床应用》的报告。

下面是现场速记：


大家上午好！我来自西安交通大学的王玲，非常感谢这次的邀请，能够有机会参加这样一个盛会，同时今天希望跟大家分享的是个性化内植物方面的进展。

一、目的与意义
大会的主题是增材制造，五年前问大家这还是一个新的名词，而现在已经做到家喻户晓，对于增材制造的工艺优势是显而易见的，适合小批量个性化的制造。无论是军用还是民用，随着个性化需求的日益突出，增材制造整个在我们制造领域是如火如荼的展开，特别是3D打印医学应用方面。随着中国制造2025的提出，必须赶超一些前沿的国家，甚至希望自己在很多方面能够做到领军前沿，最主要是有自主知识产权的产品，有我们的设计在里面。这里面个性化的需求十分明显，这也是为什么在生物医疗方面，3D打印增材制造工艺已经成为在制造业的一枝独秀。从医疗的国家需求来讲，对生命质量越来越重要，基于医疗器械大的背景，过去几十年虽然我们都在使用器械，但是也很清楚在器械方面大部分依赖于进口，虽然我们国家有很多的产品，但是不会不承认我们很多的产品还是跟国外许多产品是照搬来的。有时候他们拿过来做测试的一些产品，为什么这儿有一个孔，那儿有一个什么样的结构，也许厂家并不清楚。但慢慢的我们这些都会去突破，这方面导致也形成了3D打印在医学领域成为重要的发展方向之一。

3D打印的作用在个性化内植物方面有两个方面，一是外形的制造。因为每个人是不同的，每个人不同的部位缺损的部位也是不同的，在这个时候我们制备工艺恰恰应运而生，能够实现最基本的匹配。除此之外还有功能方面的需求，这就体现在内部唯一结构的制造。我们人体的不同部位都是有序的，而且不同的，这样就需要采用3D打印的工艺，把这个循环系统的有序性能够完好的体现出来。所以这需要三个方面的整合，生物医学方面，医学提出最基本的需求，还有生物材料，最后是跟增材制造这一块儿三个领域紧密的结合，才能够实现对于个性化真正的精准。医学教授讲的是精准治疗，还有精准的风险控制，所以这方面它的难点是生物性对于设计制造的要求，另外是如何把材料和制造工艺真正的统一起来，能够为临床的功能需求进行服务。

二、金属植入物——功能设计
现在我们融合器方面用的比较多，臼杯也达到了注册证，但是难道有一台打印机就可以解决问题吗？这里面涉及到科学性。刚才几位教授讲到，因为设计的很好，但是植入进去会断，我们有的时候在想，我把它的自由度放开之后，反而它的结合能力增强了，所以这里面有很多的机理，我们的设计制造要有相应的科学依据，不是我有一台打印机就可以制造这个产品。我们根据解剖学形态的需求，最基本要满足强度的需求。对于一个孩童来讲，未来几十年要依赖这样一个金属或者其他的假体，这时候强度是重中之重，也是目前在设计层面大家尤其关注的一个方面。除了这个方面之外，更需要关注的是一个功能，除了早期的稳定性，还要强调远期的稳定性，远期的稳定性从何谈起呢？我们猜测骨头会长入，我们也希望20年之后长的很牢固，但是如何评价、如何预？这方面我们根据整个的文献当中，以及自己进行的一些临床实验方面的理论，骨假体界面之间的微动，以及性能对远期性能有影响。我们提出了打包整合假体设计的三大准则，强度是第一的，强度必须先行亿。其次是界面微动方面，然后保持长期永久的稳定性。

所以我们开发了自己的设计流程，把整个强度准则包含在设计的标准当中，也包括跟其他设计理念相同的，从医学图像输入找到几何图像的需求，以及运动学信息，比如一个老年人对于各个部位的需求和一个青年人是不同的，一个人他的工作职业也决定了力学需求不同，我们突破了常规的设计理念，单纯从个性化假体的外形，直接对应到大家都以为，既然是多孔，需要软一点的就变成均一的多孔就可以了。其实可以不可以，到后面不出五年的时间，大家一定会有这种感觉，多孔并不是一个设计的理念，因为这里面还存在很多的问题，这也是为什么讲到的，在这方面是另外科学的一个分支，也是重要研究的一个方向。我们提出的理念是要把整个的医学性能，基于所需要的医学环境进行优化，优化之后根据它的力学需求，计算过它的局部并不需要那么大的刚度和强度，这时候就会对它优化，优化之后进行自己所获得的信息进行制备。通过传统的结构我们实现了弹性模量优化结果，可以降低它的硬度和强度，多孔也可以允许骨长入。我们把宏观的性能设计出来，如何映射到一个文件当中，如何跟真正的制造结合起来，这里面就需要宏观性能和微观结构之间的关系，我们接下来对多孔的微结构进行表征，对骨整合能力进行评价，这方面我们做了大量工作，包括不同的多孔结构，以及不同3D打印工艺下来对应的。因为设计是这样一个柔性，当3D打印出来之后，由于工艺的一些缺陷以及不同的东西参数会导致设计出来的假体跟你原来设计的目标是有很大差异的。我们通过调整单元几何形貌获得与骨相近的力学性能，我们可以看到不同的地方、不同的局部有不同的孔隙结构。进行了一些力学拔出实验，跟原来是没有特别大的降低。我们利用这一套理论设计了金属的产品，发现不同的颜色代表了不同的金属的需求，也代表不同的微结构需求，所以最后进行了打印和后面的植入。

我们通过二次开发形成了自己的软件，这个软件和其他软件不同的地方，是有我们自己力学分析的，这方面还是挺难的，会做分析的人要三五年才能培养成这样一个熟手，我们做这个软件的目的是希望生手能够很快的通过编辑好的现成模块，对于假体进行设计。

三、非金属植入物——PEEK
聚醚醚酮材料有良好的生物惰性，不会引起任何生物学方面，另外也避免了金属假体所产生的一系列问题，比如辐射和热导率这一块儿。而且它的力学性能与骨头特别的接近，我们团队是在传统3D打印的基础上，对一个装备进行了改进，形成了自己的控性冷沉积装备。在传统的工艺当中，对于大尺度的PEEK的硬件进行加工的时候，有翘曲问题，我们对这一方面很好的解决了，并且可以实现可调控韧性。这是我们制备的一根胸肋骨，人体在受弯力的时候，需要的力学性能是不同的，我们通过力学调节，可以实现局部的成分不同，局部的质量不同，机械性能也会不同。

2017年4月份我们植入了第一例，和唐都医院合作的第一例人工肋骨假体，我们之前做了大量的分析，对它的强度和很多生物性能方面进行了确认，2017年7月进行了胸部的应用。这里面涉及到一些设计的问题，大家会想到我们的肋骨都差不多，但每一个人都是不一样的，我们自己的肋骨每一根也都不同，甚至包括同样的肋骨从头到尾横截面积也是在变化的。这个时候我们要知道，要很清楚的了解打印工艺有什么缺陷，不是想打的时候都可以完美的展现出来。我们采用自己的一套设计算法，能够快速准确的为患者设计自己的肋骨，同时符合了熔融沉积的打印工艺，这是做的一系列分析和力学试验。这方面做的比较早，而且发了一篇特别好的内容。世界层面上接受的也特别好。这是一例“巨瘤霸”，我们发现一体化成型有特别好的优势，患者一个月之后呼吸功能恢复了75%以上。这是跟西京医院做的人工肩胛骨，我们做了两个设计，一个是钛合金的，一个是用的PEEK，因为不仅没有那么大的减重需求，更重要的是完全恢复人体性能最原始的需求。我们通过工艺的调整，在边缘部分和中间部分实现了不同的机械性能，我们的工艺和设备可以实现局部韧性可调控。最后恢复了咬合能力，面对不同部位的时候，同样是颅骨和盆骨，面对不同需求的时候要充分理解这些需求，同时针对这些需求进行一系列的设计。你设计的东西和最终得到的样品是否能够完好的展现出功能需求，这个其实是需要一系列的积累和沉淀的。所以这里面我提出了一些设计方面的总结，重中之重是希望请大家尊重制造的可行性，无论你用的是哪一种工艺，要很清楚的知道弱点在哪里，所以设计的时候要进行规避，否则打出来的性能是不可靠的。对于PEEK真正替代钛合金，和骨融度方面是要提高的。

四、个性化人工盆骨植入物
我们课题组主要是跟西安的几家大医院合作，盆骨我们2015年第一例，进行了一系列的强度的校合，当时设计了八根，但实际并不需要那么多，后来我们提出了自己的拓扑优化设计，这方面我们拓扑优化的目的，是通过应变能的方式节约体积，节约体积就减少了重量。这个发现在我们的文章当中也有，四种缺损情况不同，对于不同的日常行为规范，比如一号缺损的时候，对它最有影响的姿态是从椅子上起身的姿态，二型是可以上楼梯的，当缺损补充内容不同的时候，哪一种是最有严峻的考验呢？所以设计方面有很多的经验。

五、总结

在人体替代物方面，七八年前考虑的是仿形，而现在考虑的应该是仿生，进行软组织的打印和软组织的再造，同时适应个性化患者所有的需求。欢迎大家来找我们合作！


谢谢！