脊椎重建的創(chuàng)新3D打印解決方案
健康的脊椎對人的生活質(zhì)量和活動能力也有著非常重要的意義。當人的脊椎發(fā)生問題的時候，常需要以微創(chuàng)形式將塑料或金屬制成的部件植入到人體內(nèi)。在患者和外科醫(yī)生看來，這些植入物能夠在脊椎重建過程中創(chuàng)造“小小的奇跡”——經(jīng)過小規(guī)模的干預之后，患者就能在短時間內(nèi)恢復脊椎的支撐功能和運動機能。這些植入物的設計、功能和制造需要大量的知識儲備作為基礎。
脊椎籠（ spine cage）是一種用于調(diào)平和減輕脊椎壓力的植入物。椎間盤產(chǎn)生問題的患者，通常會以微創(chuàng)形式結(jié)合鈦制螺釘使用這種植入物。目前使用的脊椎籠都是采用高性能塑料 PEEK（聚醚醚酮）材料制成的，PEEK是一種耐高溫的熱塑性塑料，是聚芳醚酮材料的一種。其熔點為 335 °C，這種材料具有優(yōu)秀的生物兼容性，其在過敏性方面的特性同樣優(yōu)異。過去，一般通過傳統(tǒng)方法使用鈦制造這種脊柱籠，然而在某些情況下，鈦部件會對骨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。原因就在于其彈性明顯低于骨的彈性。PEEK 相對于鈦的決定性優(yōu)勢就是，它具有與骨相當?shù)膲嚎s特性或彈性（彈性模量）。此外，PEEK 植入體不會在 MRT（核磁共振成像）中產(chǎn)生圖像偽影，手術(shù)醫(yī)生可以很好地根據(jù)影像技術(shù)進行定位。PEEK 脊柱籠的劣勢在于缺少融入到骨結(jié)構(gòu)中的能力，在長期使用之后可能需要重新置入。而3D打印技術(shù)將鈦金屬材質(zhì)重新帶回脊柱籠制造領(lǐng)域，使得鈦金屬在結(jié)構(gòu)學上具有優(yōu)秀的生物兼容性。
來自Modena（意大利）的Tsunami Medical Srl 公司 是一家脊椎植入物的系統(tǒng)開發(fā)商。因此，該公司不僅提供用于重建受損脊椎功能的植入物，還供應幫助外科手術(shù)醫(yī)生成功開展手術(shù)的輔助工具或器械。其目標是加強脊柱，以此保證患者的活動能力。
用先進的激光熔融法制造脊椎籠 借助Concept laser的LaserCUSING 的增材式金屬激光熔融技術(shù)應用到“脊椎籠”的生產(chǎn)領(lǐng)域，可以很好地保留鈦和 PEEK 方案中的優(yōu)勢而消除兩者的劣勢。現(xiàn)在，采用金屬激光熔融法制造出的鈦材質(zhì)部件可以同時擁有生物兼容性和所需的塑料彈性。其制成的脊椎籠擁有復雜幾何結(jié)構(gòu)的同時，卻無需后續(xù)處理即可保證最佳的表面結(jié)構(gòu)。這種解決方案的最大亮點是：通過具有局部不同密度分布的幾何結(jié)構(gòu)（嵌入式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)），讓鈦部件擁有與 PEEK 解決方案中相同的必要彈性。
此外，使用激光熔融法還可以根據(jù)患者的實際解剖條件經(jīng)濟地生產(chǎn)出具有不同尺寸的脊椎籠，即可以為患者量身定制打印出脊椎籠。采用激光熔融法制成的脊椎籠擁有能夠嵌入骨結(jié)構(gòu)的生物兼容性，和符合解剖條件的彈性。手術(shù)醫(yī)生可以在 CT 或 MRT 中很好地定位脊椎籠。此外，采用激光熔融法還可以經(jīng)濟地進行定制或小批量生產(chǎn)。因此，具有特殊解剖條件的患者可以“按尺寸定制”，其他患者則可以使用標準解決方案。
圖：脊椎籠擁有圓柱或方形幾何形狀，必須經(jīng)過后續(xù)處理。為了保證最佳的幾何形狀和表面結(jié)構(gòu)，可采用激光熔融法進行制造 / 圖片來源：Concept Laser
“Lobster”墊塊是Tsunami 公司的另一大創(chuàng)新。這是一種可以張開的墊塊，可在脊椎重建手術(shù)中安放在兩個椎間盤之間。這種由 Tsunami 開發(fā)的張開機構(gòu)是設計上的一個奇跡：這是一個包含中央螺桿和側(cè)方齒輪的傳動機構(gòu)，該機構(gòu)可將兩個翼片張開。使用 Concept Laser 的 Mlab cusing R 設備和 LaserCUSING 方法可以制造出表面完美配合的“Lobster”墊塊。其低粗糙度 －近乎光滑的表面 – 可以確保更少的組織增生。
圖：張開的鈦制“Lobster”墊塊，可在脊椎重建手術(shù)中安放在兩個椎間盤之間 / 圖片來源：Concept Laser
圖：“Lobster”墊塊，通過影像技術(shù)顯示，位于脊椎中 / 圖片來源：Concept Laser
采用增材制造技術(shù)進行生產(chǎn)后，部件的設計可以采用全新的思路。Tsunami通過LaserCUSING 增材制造方法得到的創(chuàng)新方法是，設計一種可以根據(jù)患者實際情況進行調(diào)整的椎間盤假體，同時還可作為墊塊對脊椎起到加強作用。它由上殼體和下殼體，以及連接二者的雙聯(lián)彈簧構(gòu)成。殼體的表面可確保完美適應脊椎結(jié)構(gòu)。雙聯(lián)彈簧由鈦制成，內(nèi)核中填充了硅，可以對雙聯(lián)彈簧的運動進行緩沖。設計或距離尺寸可以根據(jù)患者的解剖條件和外科醫(yī)生的要求進行調(diào)整。這種創(chuàng)新解決方案的最大亮點是：該椎間盤假體可以通過激光熔融技術(shù)在單工序流程中“一次”制造完成。這種產(chǎn)品解決方案省去了后續(xù)的裝配步驟。
目前，Tsunami 已經(jīng)在多個方面具有競爭力：一方面，將在脊椎重建中的經(jīng)驗帶到產(chǎn)品解決方案中，確保患者擁有較高的活動能力：椎間盤假體可 360o 自由運動，極大提高了患者的活動能力。同時，雙聯(lián)彈簧和硅內(nèi)核確保具有理想的彈性；另一方面，在尋求建設性的解決辦法時，可充分發(fā)揮 LaserCUSING 金屬增材制造技術(shù)在產(chǎn)品自由形狀的幾何結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢。椎間盤假體的產(chǎn)品創(chuàng)意設計可以通過 LaserCUSING 方法將幾何結(jié)構(gòu)和功能進行靈活自由的融合，而這種單工序生產(chǎn)解決方案是無法通過傳統(tǒng)方法完成。
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