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【科技日报】3D:“打印”出他的笑容和自信

发布时间:2015-01-22


      来源:科技日报 

      1月22日,《科技日报》第八版新闻版以“3D:‘打印’出他的笑容和自信”为题,报道了西安交大机械学院李涤尘教授课题组“人工骨活化机理及仿生设计制造技术基础研究”项目,现全文转载如下:

3D:“打印”出他的笑容和自信

图为3D打印机

      19岁的强强曾一度丧失了生活的勇气。他患了一种十分罕见的代谢类疾病“下颌溶骨症”,下颌骨逐渐被自体溶解吸收,下巴越来越小,脸部渐渐变形,吃饭、说话都成了问题。这种病全世界仅百余例。患病的强强越来越自卑,不敢见人,甚至有了轻生的念头。

西安交大机械学院李涤尘教授课题组利用3D打印技术为强强量身定制了新的下颌骨——用他的腓骨作为下颌体部材料,支架与植骨相结合,顺利恢复了强强的面部外形,解决了强强的烦恼,笑容和自信又重新回到这个年轻小伙的身上。

像强强这样的颅颌面骨缺损患者在我国每年超过300多万,大多因创伤、病变、车祸造成。他们面部形态被改变,咀嚼、发声困难,甚至视觉和脑部功能也受到影响。李涤尘教授课题组发明的“个性化颅颌面骨替代物设计制造技术”为这些患者带来了福音。这项成果的个性化替代物产品、制造设备、手术器具销往上百家医疗机构和制造单位,临床案例超过1.1万,近三年累计销售额达1.14亿元。1月9日,这项成果获得了2014年度国家科学技术发明二等奖。

      骨替代物是骨缺损修复的关键产品。颅颌面骨形状复杂,缺损个体差异大,需要根据具体缺损情况个体化制作。传统的颅颌面骨修复往往取决于临床医生的经验:手术切开组织后,临床医生将通用钛板或钛网手工弯制成形,手术耗时长,手术效果难以达到最佳。

寻找3D打印与颅颌面外科的交叉点,西安交通大学李涤尘教授课题组面临三大难题:一是外形难以与原有骨结构一致,手工塑性不好会使面部变形,影响心理康复;二是力学功能难以控制,手工弯制强度过低材料易断裂,刚度过高则造成应力屏蔽;三是替代物没有骨再生功能。通过反复比对,课题组瞄准了从传统机械制造向生物与仿生制造发展的前沿方向,以患者医学影像数据为基础,通过3D打印,手术前即制作好满足临床要求的个性化骨替代物,保证骨修复的快速和准确。

      科研人员通过镜像变换、布尔运算和相似性匹配为患者量身设计个性化替代物外形结构,并对替代物板孔分布进行快速个体定制设计和优化,使新骨处于骨生长最佳应变区间内,保证了外形与原有骨结构的一致性。他们还发明了替代物的快速制造方法,以光固化快速精密铸造为主,结合快速原型模板复形和钛合金激光直接成形,比手工弯制精度提高10 倍以上,力学性能和化学成分均满足国家与医用行业标准。基于原创基础理论的关键技术研发,不仅实现了形态的个体适配,还解决了力学性能的个性化适配,攻克了应力屏蔽导致的骨萎缩难题。

      如何实现骨再生?西安交大李涤尘教授课题组将个性化钛替代物设计成一条仿生通道,结构镂空,内部填充可降解生物陶瓷,并在陶瓷内设置微观通道结构。他们还发明了个性化颌骨牵张器,根据患者数据构建空间牵引轨道,制作空间弧形导轨,使牵引成骨与患者对侧下颌骨形态对称,成为患者自体生长的活性“替代物”。新骨长自本身骨骼,体内最终不留异物,在国际上首次实现牵引轨迹与患者骨骼形状的个性化适配,对于发育中的青少年通过牵张修复缺损具有重要价值。

      2001年,课题组联合西安交大口腔医院成功实施了世界首例3D打印个性化下颌骨替代物临床应用,比国外整整早了10年;2006年,率先完成国际首例个性上颌骨修复临床应用;2009年实施了全国首例全下颌骨溶解个性化修复。李涤尘教授1998年首倡“生物制造”研究,目前课题组的研究范围已囊括定制化人工假体、骨/软骨关节、关节韧带组织制造,以及细胞打印、肝组织结构制造、个体化骨折外固定器及其临床应用等。

      以中国科学院熊有伦院士为组长的国家自然科学基金重点项目验收组,对资助本项目的“人工骨活化机理及仿生设计制造技术基础研究”验收时评价认为“该项目是制造学科与生物医学学科的深度交叉研究。该项目在这一领域做出了重要探索性贡献,其研究成果体现了我国在生物制造目前的学术水平和创新贡献,推动了生物制造研究领域的发展”。邱蔚六院士在综述论文“口腔颌面修复重建外科近况”评价称,“这种技术完全符合‘个体化’医疗的现代理念,并促进了‘个体化’修复外科的发展。”

      四川大学华西口腔医院在临床应用后认为,此项成果具有精度高、组织相容度高、个体适配性强、修复效果好、简化手术过程和稳定性高的优势。中山大学附属中山医院在临床应用后表示,该产品和技术在实用性、准确性、缩短手术时间、降低手术风险及减少手术医生劳动强度等方面有明显优势,具有较强的临床应用价值。

      从基础理论研究到关键技术发明,再到系列产品开发并推广应用,李涤尘教授课题组历时十余年,有效实现了颅颌面骨缺损个性化修复的数字化、精确化和大规模临床应用,将塑形精度提高10倍以上,手术效率提高80%。此项目共获授权发明专利18项。

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