医学“新星”，带你解密3D打印和机器人技术如何升级膝关节置换手术

2021年5月17日，南极熊了解到国外一家名为史赛克的公司利用增材制造和机器人技术促进骨/医用植入体结合，极大程度上缩短了病人的手术后恢复时间。

△史赛克的Triathlon植入物有四个部分（从上到下）：股骨、髌骨（连接到股骨）、衬垫和胫骨。图片来自史赛克公司

在上个世纪七十年代，全膝关节置换手术多是依据解剖学上的模型设计出类似膝关节的假体，进而完成关节替换实现治愈。时至今日，随着科学技术的日新月异，无论是假体制造、手术方法，还是病人的术后恢复效果都有了很大的改善。全膝关节置换术在医学上被称为TKA，当前它的进展主要包括：为骨植入物及其3D打印部件开发出专用生物材料，以及手术辅助机器人的使用。

史赛克公司于2002年开始引入增材制造技术，公司的数字、机器人和实体赋能技术的总裁罗伯特-科恩（Cohen）于20世纪80年代在新泽西理工学院获得多个工程学位，他的职业生涯一直致力于研发医用植入物。他对3D打印等数字技术如何帮助工程师改善TKA手术有着高涨的热情。除了膝盖，这家总部位于密歇根州卡拉马祖的全球性公司还3D打印髋关节、脊柱笼和其他植入性设备。

△史赛克数字、机器人和实体赋能技术的总裁罗伯特-科恩（Robert Cohen）

增材制造技术使他们能够生产出用传统方法无法制造或具备复杂几何形状的假体，其中一个例子就是是促进3D打印支架的生物相容性生物——使骨头生能够长到假体中。Cohen表示："3D打印是唯一能做到这一点的技术，为骨组织设计出可以生长的结构，而不是仅仅做一个表观的过程。按传统方式你可能会钻孔，然后说，'嘿，骨头，我希望你能长到这些孔里。现在，我们可以打印一个支架结构，骨头将长入其中，而支架同时具有结构完整性。就像铁路栈桥一样"。

TKA手术案例的增长

据估计，每年有超过60万美国人接受这种手术。预计在未来十年内，这一数字还会上升。美国每年的髋关节和膝关节置换手术总数约为100万例。患者选择使用史赛克的Triathlon全膝关节系统，并由该医疗设备制造商的Mako手术机器人提供协助。科恩将增材制造描述为一种 "工具"，帮助工程师发现传统制造方法无法解决的问题的解决方案。他认为：“3D打印本身也是另一种制造方式，只不过花哨点了而已。推动创新的是那些想用新方法解决问题的人的技能组合。在患者案例中，我们开发出了新型的替代植入物，而3D打印则是使我们的设计成为现实的助推器。”

△铁人三项运动的增材部件是由史赛克公司为3D打印开发的钛合金制成

科恩说：“过去几年中，水泥骨结构膝关节的使用迅速增长。原因是长期用于TKA手术的水泥骨结构，是一种可以分解的材料，这又是医用植入物的另一个机会"。史赛克用钴铬铸造了Triathlon膝关节的股骨组件，这种材料能与塑料衬垫良好地互动。铸造完成后，股骨经过精加工，并涂覆有烧结颗粒，以促进骨质增生。

在TKA手术中，在病人的股骨上进行一系列的凹形切割。端部的两个切口与植入物对接，就像一个楔子被打入一块木头。科恩解释说："这是最稳定的表面，试想一下当你站立的时候，你总是把骨头推到更紧的地方。"髌骨的制作是一个相对简单的过程。金属支撑的髌骨配有由Tritanium制成的3D打印几何形状，Tritanium是史赛克专门为AM应用开发的一种钛合金，在这种应用中骨组织有希望进行生长。

Tritanium也被用于3D打印胫骨基底板。它与病人的胫骨通过过盈配合连接形成一个几乎无故障的结合，这种力量依靠摩擦力将两个配合紧密的物体固定在一起。金属底板设计的主要特点是四个钉子和一个龙骨。科恩说："通过增材制造，我们可以把这些柱子和龙骨结构放在它们都能一起工作的地方，形成一个过盈配合，它是"坚如磐石"的。加工原始基材在经济上是不划算的，成本会很离谱"。

制造过程

对于AM应用，史赛克公司主要使用直接金属激光烧结（DMLS）打印机。科恩说："我们正在做一些电子束工艺的大型金属零件。我们正在研究不同的打印机，用于复杂的夹具、固定装置以及一次性仪器和聚合物。有一些聚合物可以用于植入物，有一些聚合物可以成为一次性手术器械，这取决于材料的需求。"

选择并上线3D打印机来制造假体是一项重要的工作。在金属承重植入物的世界里，买一台DMLS打印机，插上电源，然后期望制作出一个植入物是不现实的。

科恩表示："打印金属植入物需要学会控制激光器、熔池、功率、进给速度、分层以及许多其他工艺参数。因为我们已经在这些领域积累了经验，我们是世界上医疗保健领域为数不多的有能力扩大规模的公司之一，而不仅仅是做小批量的生产。这家公司的扩展能力通过其AMagine研究所得到了加强，这是一个位于爱尔兰科克的全球技术开发中心。据报道，这是世界上最大的专门用于增材制造骨科部件的设施，科恩说该研究所的生产人员每年3D打印超过100万个零件。

△种植体组件与患者的匹配情况

机器人辅助手术

在过去三年中，史赛克公司在医院里安置的Mako机器人辅助系统的数量超过1000个，这是一个惊人的数字。根据公开报道，Mako机器人的成本超过100万美元，用于植入Triathlon膝关节。该系统确定最后的骨制备和植入步骤，用特殊的Triathlon器械来执行。

科恩表示：“史赛克公司在美国销售的初级膝关节中有42%是用Mako机器人植入的。他预计这一比例将很快上升到50%。就像学习3D打印TKA组件一样，开发手术机器人并不是一个没有耐心或没有经验的任务。我们设计机器人，我们编写软件，我们自己建造机器人，因为没有人能够做到这一点，而我们单单在这方面已经工作了十多年"。

△手术机器人

机器人系统的一个关键好处是，它在手术前和手术中为手术团队提供了关于病人膝盖的前所未有的大量数据。这个过程始于医院在病人入院前对其膝盖进行的CT扫描。医院将扫描结果发送给史赛克，史赛克会创建一个虚拟的膝关节、胫骨、股骨、髌骨、软骨和韧带的三维模型。扫描还显示了有用的信息，如病人的关节炎损伤程度和软骨损失造成的关节空间狭窄。

Cohen解释说：“下一步是将数据与虚拟植入物相匹配。史赛克团队成员将股骨和胫骨的虚拟模型放置在虚拟骨骼上，并收集旋转、X-Y-Z轴、倾斜、斜度等数据。你可能需要的一切匹配都是个性化的。机器人的目的是让你的膝盖准确地处于你的关节线上，并制作出能维持一生的骨结构。”该团队还重新建立了病人的关节线，以三维方式进行。

△一个机器人帮助在骨骼上切割极其平整的表面，从而提高了病人的治疗效果

一旦收集到所有的数据，史赛克就会将其集成成一个手术计划，并发送给外科医生。在病人进入手术室之前，该计划被装入机器人。但这并不是最终的手术计划，当病人处于麻醉状态时，外科医生会弯曲TKA膝关节，机器人会跟踪弯曲的动作。在手术过程中，机器人控制手术器械的运动。例如，当外科医生将锯子推入骨头时，机器人控制刀片的平面，并以外科手术中从未见过的准确性和精确度执行切割。刀片的前进速度也受到控制。这可以防止它在骨头被切割干净后进入健康组织。机器人手臂中内置了触觉，当你碰到骨头的边缘时，锯子会自动停止。

令人满意的术后结果

从病人的角度来看，机器人辅助手术的最大好处是缩短恢复时间。这主要是由于最大限度地减少了对健康组织的损害和假体的正确放置。

Mako手术机器人有助于防止对健康组织的损害，并将膝关节植入物正确地定位在病人的骨骼上。

科恩说："当你在手术后醒来时，你在正确的位置进行弯曲。不必在像上世纪七十年代那样重新学习走路，因为植入物被放在了错误的位置。现在你的物理治疗次数减少了。你更早地恢复了屈曲。你更早地从疼痛中得到缓解，因为你没有那么多的软组织创伤。你可以更早地回去工作。你没有任何的健康问题。再入院和再手术的情况较少，你有更高的病人满意度"。

与此同时，手术过后的患者也都表示恢复行动能力的速度比预期的快得多，可以很快地在没有辅助的情况下走了半英里之远。

△除了膝盖，史赛克还为臀部、脊柱和其他身体部位3D打印部件