巴塞尔大学：独特的多孔3D打印植入物设计用于治疗眼窝骨折

导读：2021年8月4日，南极熊获悉，来自巴塞尔大学的研究人员开发了一种新型的3D打印植入物，用于治疗眼窝骨折，并降低了术后的排斥风险。

研究团队使用Prusa i3 3D打印机和PEEK长丝打印的移植物能够克服材料的生物惰性，这要归功于其多孔的特点，它可以被定制以加强细胞修复。通过有限元（FE）分析，该团队还发现他们的设备是高度可定制的，这意味着在未来，它们可以被调整以满足个别光学病人的需求。

这项研究表明："高温、可植入级热塑性聚合物（如PEEK）的打印为更复杂的一代生物材料铺平了道路。在医疗点实施FDM 3D打印可以减少材料浪费，方便对操作者进行培训，加快植入物的生产，提高了成本效益和对不同病人的针对性治疗"。

△研究人员的3D打印眼窝植入物安装在一个头骨模型上。照片来自巴塞尔大学

治疗"眼窝骨折

说到面部伤口，眼眶内部骨折是最严重的损害之一。眼窝骨折是被钝器击中面部的常见副作用，它实际上是看到受影响患者的眼睛下方的墙壁受损，而且由于该部位的位置不明显，这种疾病可能非常难以治疗。

尽管虚拟手术计划（VSP）的进步使处理这种眼窝骨折比以往任何时候都容易，但相关的手术材料仍然是病人达到最佳治疗效果的障碍。同时，PEEK本身是一种强大的3D打印聚合物，并在这一领域显示出相当大的潜力，但根据瑞士团队的说法，其缺乏生物活性是一个引起临床关注的原因。

在过去，研究人员曾尝试过给PEEK涂层以改善其骨整合的想法，但不良的结合会导致材料的降解，最终导致骨溶解。另外，鉴于该技术固有的设计灵活性，3D打印技术越来越多地被用于外科移植，它可以实现多孔植入物，促进更多的细胞再生。

然而，尽管增材制造医疗设备具有临床潜力，但巴塞尔的研究人员没有发现目前有相关研究对PEEK FDM 3D打印植入物的行为进行研究。因此他们现在已经建立了一个工作流程，能够生产定制的移植物，其特点是改善手术的适用性。

△"反向折纸 "3D打印方法。图片来自巴塞尔大学

PEEK材料的性能优化

首先，研究小组创建了几种不同FE设计模型的眼眶网状植入物，并使用模拟软件来测试它们在临床最坏情况下的性能。根据他们的研究结果，研究人员选择将1.5毫米的螺丝点整合到他们每个设备的边缘，作为最终使用时固定它们的手段，然后将它们导出为STL文件进行打印。

有趣的是，该团队的初始模型由于其复杂的悬垂结构而打印失败，迫使研究人员采取 "反向折纸"方法。在实践中，使用Autodesk公司Inventor程序中的"unwrap"功能便可以将他们的3D植入物数字转换为2D植入物，然后将它们挤压成平面并手动从打印床上取下。

为了使他们的移植物再次成为三维的，研究人员随后使用一个模具和压力箱将它们加热并压缩成所需的形状，然后对它们的质量进行分级和分析。每个设备都根据它们在0.3N下的变形以及它们的形态契合度进行标记，结果显示，最薄的植入物在压力下的应力水平也最高。

在与病人模型的配合和准确性方面，根据研究小组自己的评分标准，每个设备的得分至少为 "满意"，而长方形的植入物被标记为最坚固。因此，该团队得出结论，他们的方法与所生产的设备同样重要，而且FE建模使他们能够快速更新出对病人友好的设计。

"使用多标准决策（MCDM）评估，基于FE的计算分析和FDM可以在多种治疗方案中进行评估，"该研究团队在论文中解释道："这种方法表明，可以评估一系列的组合，以达到最有效的临床解决方案"。

△研究人员的3D打印植入物在测试中显示的变形量都在0.107毫米或以下。图片来自巴塞尔大学

3D打印的可视化治疗潜力

鉴于人类眼窝的封闭性，它可能是一个非常困难的手术区域，但外科医生逐渐发现，3D打印和建模可以帮助提升他们治愈病人的机率。例如，今年早些时候，以色列加利利医疗中心（GMC）的医生将3D打印与VR相结合，开发出一种可视化治疗骨折的新方法。

过去，波尔图大学的研究人员以类似的方式部署了增材制造，以帮助重建一名47岁妇女的眼睛。通过与机械和工业工程科学与创新研究所合作，该团队能够制造一个高质量的假体，同时减少其相关的准备时间和成本。

在其他方面，在巴西保利斯塔大学，科学家们已经开发出一种为那些有颌面缺陷的人捕捉和3D打印面部假体的方法。基于智能手机捕获的扫描，该团队已经能够为一位失去右眼和部分下巴的癌症幸存者制作假体。

研究人员的研究结果详见他们的论文，题为 "A multi-criteria assessment strategy for 3D printed porous Polyetheretherketone (PEEK) patient-specific implants for orbital wall reconstruction"。

相关论文链接：https://www.preprints.org/manuscript/202107.0110/v1

这项研究是由Neha Sharma、Dennis Welker、Soheila Aghlmandi、Michaela Maintz、Hans-Florian Zeilhofer、Philipp Honigmann、Thomas Seifert和Florian M. Thieringer共同完成的。