骨科3D打印：光鲜外衣掩盖下的骨感赛道

来源：医菲特，作者：老和山下

2019年7月，嘉思特华剑医疗器材（天津）有限公司的3D打印髋关节假体通过NMPA审批，时隔4年，国内终于出了第二家获批3D打印骨科植入物的厂商。同样在7月，国家药监局、国家卫健委联合发布了《定制式医疗器械监督管理规定（试行）》，这对于推进医疗3D打印行业规范的建立和完善起到了风向标作用。而在不久前，专注于骨科3D打印的上海麦递途完成了数千万元A+轮融资，在资本寒冬的大环境下，融资成功的消息显得尤其振奋人心，对于行业的发展也是一剂强心针。以上这些的确都是好消息，但和大多数新兴的技术领域一样，3D打印的商业化远没有预期中那样美好，尤其在长周期高壁垒的医疗行业中，应用设想虽包罗万象，但是临床落地之路需要经历漫长的过程。

这回我们专门来讨论下骨科3D打印，剥开它光鲜亮丽的外衣，看看其骨感的内核。

一、骨科3D打印的价值在哪里？

3D打印是一种新的材料成型加工技术，它又叫增材制造，这个叫法是非常形象的，比如做一把金属榔头（工科生应该都记忆深刻吧，金工实习经典科目），传统的方式是通过车床对一块毛坯进行铣削，这相当于做减法，而如果用3D打印的方式是从金属粉末开始一点点堆积出来的，相当于做加法。有人可能会说，传统的浇铸成型（熔融材料注入模具）也是做加法啊，请注意关键点就在这里：3D打印不需要模具，你想做什么成形状，只需在软件里画好就行。很多做过研发的同仁应该有切身体会，研发过程中产品的设计方案不断在打磨，经常需要找供应商打样，数量可能只需要两三个，这种情况下单价就很高，可能还需要等供应商的排期；到了后期开始批量生产了，开模费又是很大一笔费用，万一出了点bug需要重新开模，对于资金十分紧张的初创公司来讲简直要崩溃。所以，3D打印作为一种个性化定制的低成本加工方式确实有很大的应用前景。

从宏观的角度来讲，材料制造和加工处于工业产业链的上游，属于底层技术，技术演变缓慢可能数百年不变，但一旦出现新的革命性技术，对整个产业链的塑造就是颠覆性的，这也是3D打印如此受关注的逻辑所在。在3D打印最火热的2013年，连美国总统奥巴马都出来助阵说：“3D打印将给几乎所有产品的制造方式带来革命性变化。”当时，3D Systems和Stratasys两家设备制造商的股价也是一飞冲天。

只是时至今日，3D打印的商业化依然还在路上，真正能够落地的应用场景并不多，这其中骨科植入物是一个极佳的落地场景，主要原因有两点：一是3D打印的多孔结构；二是其定制化成本低。关于第二点比较好理解，我们会在后面详细讨论。这里解释下多孔结构的优势：常规金属植入物普遍存在应力遮挡的问题，通俗的理解，如果把比骨骼更为坚硬的材料植入人体，那么更为坚硬的植入物材料将承担更大的应力，而骨骼承担的应力减少，这种现象会到导致人体骨组织体积和密度逐渐下降，从而导致骨折或植入物松动。初始的松动将导致磨损以及进一步的松动，最终导致植入物失败。相比之下，3D打印植入物多孔表面的模量低于常规植入物，所以金属植入物和骨骼之间的刚度差异会减小，这使得植入物与骨骼之间能够更好的“贴合”，同时多孔的表面有利于骨组织的渗入生长，从而实现有效的骨融合。

二、骨科3D打印产品分类

如上图所示，骨科3D打印产品分为术前产品和术中植入物，其中术前解剖模型和手术导板的应用已经普及，其技术门槛较低，很多厂商都已经推出了此类产品。而植入物属于高风险三类医疗器械，审批难度大，也是我们关注的重点。需要强调的是，目前市场上的3D打印植入物分为标准化和定制式两种，且标准化的3D打印植入物临床上应用更多，这和很多人以为的“3D打印就是做定制化产品”有很大的出入。其实，标准化3D打印植入物和传统植入物一样是批量化生产，并不涉及个性化定制，区别只在于3D打印有多孔结构这一优势。也许你会问，既然3D打印适合定制化生产，为何不一步到位针对每位患者做定制化产品呢？这就戳到了行业目前的痛点，且往下看。

三、标准化3D打印植入物市场
2007年，意大利外科医生Guido Grappiolo通过Lima公司以及金属3D打印设备厂商Arcam合作，植入了世界上第一个3D打印的髋臼杯。他此后植入了近600个髋关节，而他所在的科室已经植入了超过1500个3D打印的植入物。

第一个3D打印髋臼杯植入手术几个月后，Grappiolo医生查看患者的CT扫描图像，看到她的骨组织已经开始长成与植入体形成很好的结合。从技术角度来看，这向医学界证明了3D打印植入物可以带来的价值。而通过Arcam的3D打印设备至今已经制造了超过10万个髋臼杯，虽然3D打印的髋臼杯在医院今天进行的髋关节置换术总数中仍占很小的比例，但这一切正在发生变化。

纵观国外在这个领域的竞争格局，和大多数创新领域一样，骨科3D打印产品的探索和开拓大多来自于小公司，代表性公司包括美国的K2M和4-WEB、德国的EIT以及上面提到的意大利Lima等，而传统骨科巨头主要通过并购在近几年纷纷布局了3D打印业务，相应产品的推出集中在了2016-2018年。到2018年，FDA已经批准了超过35种3D打印植入物。

但到目前为止，大多数3D打印公司仍处于亏损状态，以被史赛克14亿美元收购的K2M为例，2017年营收2.58亿美元，营业利润为亏损4042万美元，这其中巨额的市场销售费用是导致亏损的主要原因，这和骨科植入物产品的高壁垒属性息息相关。所谓的高壁垒，是指骨科植入物作为一种长期植入体内的高风险医疗产品，其安全性和临床效果需要经过长时间的验证，在这之前，想要替换现有产品阻力极大，再加上医生和现有供应商、销售代理的牢固合作关系，其商业化推广的难度可想而知。

对于3D打印植入物而言，从最早的2007年（第一例髋臼杯植入）开始算，到目前也只有12年的时间，而传统关节植入物的有效使用寿命通常在15-20年以上，因此3D打印植入物能否保障20年以上的长期效果，仍需要时间验证。与此同时，负面的消息也从未停止过。比利时联邦医疗保健知识中心（KCE）称，使用3D打印植入物的假设好处可能不如我们想象的那样有效或令人信服，目前的临床证据和数据量还不够支撑。

四、定制化3D打印植入物市场
定制化3D打印是在标准化3D打印植入物的基础上更进一步，针对每个患者的情况进行定制化生产。有数据表明，使用标准化植入物，5个病人里面有一个是不匹配的，所以理论上讲，定制化植入物可以解决这个痛点，更好的匹配意味着更好的术后恢复（研究表明，术后最开始一段时间的恢复情况会极大的影响患者的信心和之后的生活）。此外，定制化潜在的优势还包括减少手术步骤和工具（由5-8篮减少到1-2篮）、缩短住院时间、减少术后并发症、潜在的更长寿命、尽可能多的保留骨骼（在医学博士William Kurtz的一项研究中，使用iTotal CR关节置换植入物时，骨切除术的平均总量比使用现成植入物进行骨切除术的平均总量少27%）等等。
蓝图看上去如此美好，那么现实如何呢？在业内，确实有一家叫Conformis的公司从头到尾一直在坚持做着定制化3D打印植入物的商业化探索，这对于行业是一个很好的参考。

Conformis成立于2004年，从2007年开始开展定制化膝关节业务，2011年推出全置换膝关节定制系列，2018年推出髋关节定制系列。截至2018年底，Conformis已卖出9万多个膝关节植入物，包括7万多个全膝关节置换植入物和2万多个部分膝关节置换植入物。
那么率先“吃螃蟹”的Conformis是否盈利呢？答案是否定的。3D打印若是标准化批量生产，成本结构和传统制造相似；若是定制化生产，生产供应模式完全不同，每一个定制产品都需要临时设计方案，从工厂生产出来之后再送至医院，从Conformis的运营结果来看其商业模式很难盈利（见表一）。这其中的困难在于：

1）非批量化生产的效率受限；
2）跨地区运输带来很大的物流压力，若送货不及时（不能如期手术），负面影响很大，十分尴尬的是Conformis目前只有一个工厂，其在德国的业务需要跨国运输；
3）定制化生产额外增加了CAD设计环节，导致高昂的人力成本，公司为降低成本已将CAD设计大量外包给印度。

Conformis的案例告诉我们，步子卖的太大，很容易成为烈士。在标准化3D打印植入物尚未实现大规模应用和盈利之前，定制化的尝试需要很大的勇气。

五、国内骨科3D打印方兴未艾
3D打印作为一个新兴行业，国内外的技术代差不算太大，尤其是在应用端。总的来看，由于国内医疗产品的审批相对保守、标准建立缓慢，3D打印植入物的商业化处在更早期。在标准化3D打印植入物领域，国内目前共有四款产品拿到了三类医疗器械注册证，分别是爱康医疗的3D打印髋臼杯、3D打印人工椎体、3D打印脊柱椎间融合器和嘉思特华剑的3D打印髋关节假体。由于嘉思特华剑的产品刚刚获批，所以这几年正儿八经在卖的也就爱康医疗一家，其3D打印产品自2015年上市以来增长迅速，2018年营收7000万元，是否盈利未知。     

除了这两家老牌骨科公司之外，国内也涌现了一批从事骨科3D打印业务的初创公司，由于审批壁垒高等原因，目前大多数厂家仍停留在门槛较低的术前产品（骨科模型、手术导板等）阶段。但另一方面，很多创业公司在定制化3D打印植入物领域不断探索新的商业模式，比如黑焰医疗采取了医工结合、与医院共建3D打印中心的模式，这种模式在国外也开始尝试，如前面提到的意大利Lima公司：于今年5月在纽约HSS（美国特种外科医院，连续九年被评为美国排名第一的骨科医院）开工建设on-site 3D打印中心，HSS医院从2016年开始通过Lima 意大利总部制造定制化植入物。这也反映出定制化植入物的制造过程是一个医工交互合作的过程，在院内建立的3D打印中心为临床医生与植入物设计工程师之间的互动提供了便利性，使得每个定制案例的设计流程都会更快，而本地化的制造也免去了植入物国际运输的过程。

最后特别提醒，今年7月出台的《定制式医疗器械监督管理规定》明确了对定制式医疗器械实行备案管理，定制式医疗器械生产企业和医疗机构共同作为备案人。为合理控制风险，《规定》对生产、使用定制式医疗器械的生产企业和医疗机构均提出了明确要求，并明确定制式医疗器械不得委托生产。同时定制式医疗器械生产企业应当具备以下条件：
（一）有定制式医疗器械研制、生产所需的专业技术人员；
（二）具备定制式医疗器械研制能力和研究基础；
（三）有相同类型的依据标准规格批量生产的医疗器械注册证及相应生产许可证。
关于最后一点，笔者的解读是，生产企业若想要开展定制化3D打印植入物业务，还得先取得标准化3D打印植入物的注册证，这个门槛可不低！

六、总结——是金子总会发光！
从已有的临床结果来看，3D打印骨科植入物的多孔结构和定制化优势对于患者而言是有很大价值的，但因为骨科植入物的高壁垒属性和较长的学习曲线，其商业化推广在前期困难重重，但笔者坚信是金子总会发光，随着验证时间和临床数据的积累，临床接受度的逐渐提高，优秀的骨科3D打印公司迟早会跑出来。

在国内，随着医疗3D打印监管政策和技术标准的出台，骨科3D打印的发展和竞争开始加速，当然标准化3D打印植入物的研发仍需要传统骨科的技术积淀，其开发路径并无本质区别。同时，定制化业务的发展偏向医工结合的本地化服务型模式，未来无疑是属于国内玩家的天下。医菲特