The current concept of large-segment bone defect treatment is still to complete the replacement and fusion of bone tissue by means of autologous, allogeneic or artificial bone graft filling, that is, "bone-bone" interface fusion. The theory is deeply rooted, but the clinical effect is poor. A research team from research institutions such as Peking University Third Hospital used a custom-made 3D-printed titanium alloy porous implant to repair large-segment bone defects in a research work, realizing the patient's early limb function recovery and long-term "implant- Reliable fusion of the "bone" interface, with significantly improved efficacy.
© 3D Science Valley White Paper
Milloreu l'eficàcia precoç i{0}}a llarg termini
Articles de recerca relacionats publicats a la revista Bioactive Materials
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.03.030
This research work was supported by the National Key RD Program of the Ministry of Science and Technology of the People's Republic of China (2016YFB1101501).
block Traditional "bone-bone" fusion treatment concept
Els grans defectes ossis segmentaris a causa de trauma, infecció o resecció del tumor sempre han estat un problema clínic difícil. Al voltant del 5% -10% de les fractures experimenten un retard en la unió o no unió, i gairebé totes les pèrdues òssies segmentàries produeixen no unió. A tot el món, anualment es realitzen més de 2,2 milions d'empelts ossis per tractar defectes ossis en ortopèdia, neurocirurgia i odontologia.
Classical techniques for the treatment of large bone defects include the Ilizarov technique, the induction of bone regeneration through biofilms (Masquelet technique), autologous vascularized cortical bone grafting, and titanium mesh (filled with autologous or allogeneic bone) implantation techniques. The above treatments have their own characteristics depending on the technology, but they are essentially based on the concept of "bone-bone" fusion, that is, autologous bone, allogeneic bone or artificial bone is transplanted and filled in the defect area, and replaced by bone tissue repair. Complete the connection and fusion of the bones at both ends of the defect area.
Tanmateix, la pràctica clínica demostra que aquests tractaments no són ideals i de vegades fins i tot poc fiables. El transport ossi a través del procediment d'Ilizarov sol trigar diversos mesos a curar-se, durant els quals el pacient no es pot moure amb normalitat. És encara menys probable que aquest mètode s'utilitzi per al tractament de defectes esquelètics multi-segmentaris de la columna vertebral. La tècnica Masquelet i el mètode d'empelt d'os cortical vascularitzat autòleg ajuden a millorar la fusió òssia, però és difícil aconseguir l'estabilització postoperatòria immediata. A causa de la necessitat d'una gran quantitat d'os al·logènic/autòleg com a material d'empelt ossi, sovint es requereix una extracció quirúrgica addicional d'os (com ara l'eliminació d'os ilíac). El mètode d'implantació de la malla de titani a la zona del defecte ossi proporciona comoditat per a l'aplicació de diversos materials d'empelt fins a cert punt, però el seu efecte de fixació és limitat i també té els inconvenients d'afluixar, enfonsar o desplaçar-se fàcilment. De fet, tècniques com Ilizarov i Masquelet també són difícils d'aplicar en determinats llocs de dissociació, com la metàfisi.
To sum up, various traditional techniques based on the concept and theory of "bone-bone" fusion have many shortcomings or defects in the treatment of large segmental bone defects: the treatment process is long, and the limbs of patients after surgery are not immediately, early, or surgically removed. After a long period of time can not bear weight.
el bloc imprimeix en 3D implants porosos de titani
"Implant-bone" interface fusion
En comparació amb els mètodes-esmentats anteriorment que requereixen una gran quantitat d'ompliment al·logènic/autòleg, l'aplicació d'implants d'aliatge de titani porós impresos en 3D-per reparar i reconstruir defectes ossis sembla tenir avantatges evidents. En primer lloc, els implants es poden personalitzar amb precisió segons la forma del defecte ossi, sense necessitat d'empelt ossi; a més, segons els avantatges de les pròtesis metàl·liques, es pot dissenyar un dispositiu de fixació per aconseguir l'estabilització immediata entre l'implant i els ossos adjacents, de manera que el pacient pugui sortir del llit aviat després de la cirurgia; Característiques estructurals poroses, que atrauen el teixit ossi adjacent per créixer-hi i, finalment, aconsegueixen una fusió permanent de la interfície òssia de l'implant-.
Figura 1. Anàlisi radiològica i biomecànica d'implants Ti6A14V porosos impresos en 3D per reconstruir un defecte femoral de 4 cm. (A) Imatges de raigs X{-a 1, 3 i 6 mesos després de la implantació (i-iii) Imatges de tomografia computada a 1, 3 i 6 mesos després de la implantació (iv{-vi) . Les fletxes blaves indiquen un os nou format al lloc del defecte o a la superfície exterior de l'implant. (vii) Puntuació radiològica de cada grup. (n=4) (B) Imatges de reconstrucció 3D MicroCT (i-iii) dels grups 1, 3 i 6 mesos després del sacrifici (el gris indica l'aliatge de titani, el verd indica un os nou). (iv) Resultats quantitatius de la fracció de volum òssia a les regions peri-i-foràmiques de cada grup (n=4).
Tanmateix, l'efecte terapèutic clínic de l'ús d'implants porosos impresos en 3D per reparar defectes ossis (especialment els defectes ossis-de segments grans) requereix no només la confirmació dels resultats de l'observació dels casos de seguiment, sinó també la resultats d'estudis experimentals amb animals rellevants com a evidència. Amb aquesta finalitat, l'equip d'investigació va dur a terme-exploració i investigació sistemàtica i en profunditat.
Figure 2. Biomechanical analysis of 3D printed porous Ti6A14V implants for reconstruction of 4 cm femoral defects. (A) Three-point flexural strength of each group of samples (n = 4) (B) Stress distribution of the "implant-bone" complex at (ii) 1000 N, (iv) 2000 N and (vi) 3000 N. Displacement distribution of the "implant-bone" complex at (i) 1000N, (iii) 2000N and (v) 3000N. (p<0.01,><>
In view of the shortcomings of the traditional "bone-bone" fusion method in the treatment of large-segment bone defects, and based on the experience of exploratory treatment of large-segment bone defects and the results of relevant animal experiments, the research team proposed a new large-segment bone defect. The technology and concept of bone defect repair and reconstruction: "implant-bone" interface fusion.
Figure 3. Histological analysis of 3D-printed porous Ti6A14V implants for reconstruction and repair of 4 cm long femoral defects. (A) Goldner's trichrome staining (i-iii) of 1, 3 and 6 month groups. (iv) Quantitative results of implant-bone growth and implant-bone contact rates in the three groups. (v) The ratio of mineralized bone to osteoid in each group (n = 10). (B) Fluorescent labeling of new bone around the implant and in the pores. (White arrows indicate titanium columns, green and yellow bands indicate calcein- and tetracycline-labeled new bone, respectively). (i) Osseointegration around the implant in the 1-, (iii) 3- and (v) 6-month groups. (ii) 1-, (iv) 3-, (vi) osseointegration in plant pores in 6-month groups.
The basic idea is: a. The 3D printed porous titanium alloy prosthesis is implanted into the bone defect area, and the two ends of the implanted prosthesis are connected and fixed with the adjacent host bone, so as to realize the immediate (or early) functional recovery of the patient's limb; b . The implanted prosthesis is designed as a porous structure to attract adjacent bone tissue to grow into it and surround it to achieve "implant-bone" interface fusion.
Figure 4. 3D printing of porous Ti6Al4V implants to reconstruct spinal bone defects (case 1). (A) (i-vi) 1 month (i), 3 months (ii), 7 (months iii), 12 months (iv), 24 months (v) and 32 (vi) postoperatively "Implant-bone" X-ray image of Moon. Blue arrows indicate the implant-bone interface or new bone on the outer surface of the implant. (B) CT images at 3 months (i), 7 months (ii), 12 months (iii), 28 months (iv), 32 months (v) and 36 months (vi) after surgery. Blue arrows indicate the implant-bone interface or newly formed bone on the outside of the implant.
Of course, if the porous structure of the implant grows through the bone tissue, it is ideal to form a "bone-bone" fusion, but it is difficult to become a reality. However, when the two ends of the implant prosthesis are effectively fused with the host bone at a distance of several millimeters, it can already meet the needs of the patient to restore the motor function of the limb. The research team applied the 3D-printed porous titanium alloy implants made by electron beam melting (EBM) technology to the clinical treatment of a group of large-segment bone defects, and achieved better than expected results. At the same time, the research team used the small-tailed Han sheep to create a long-segment femoral defect model to study the osseointegration characteristics of this method, and to provide a supporting basis for the treatment effect of clinical cases.
Figura 5. Implant Ti6Al4V porós imprès en 3D-per reconstruir el defecte femoral (cas 2). X del defecte femoral reconstruït d'11 cm immediatament després de l'última cirurgia (A) i 2 (B), 5 mesos (C), 8 mesos (D), 14 mesos (E) i 20 mesos (F) després de la imatge de la línia d'implantació. Les fletxes blaves indiquen l'osteointegració entre l'implant i l'os hoste.
Figure 6. 3D-printed porous Ti6Al4V implant to reconstruct pelvic bone defect (case 3). Photographs of the actual "implant-bone" complex specimen taken from (A) lateral and (B) anteroposterior views. The location of the "implant-bone" interface area indicated by the blue arrow (C) Histological image of the "implant-bone" interface, showing new bone growing into the porous implant pores. Micro-CT images of the "implant-bone" contact area in (D) midsagittal plane, (E) coronal plane and (F) transverse plane.
In this study, the research team successfully treated large segmental bone defects caused by various etiologies by 3D printing porous titanium alloy implants without using autologous/allogeneic bone grafts or any osteoinductive agents. immediate and long-term biomechanical stability. Animal experiments have shown that bone can grow into the pores to a certain extent and gradually remodel, so that the "implant-bone" complex can achieve long-term mechanical stability. In addition, this study also proposes a new "implant-bone" interface fusion concept for the treatment of large segmental bone defects, which is different from the traditional "bone-bone" fusion concept.
La tecnologia GMKJ està profundament compromesa amb fonts de llum saludables i intel·ligents, proporcionant al mercat una gamma completa de productes i solucions LED ultraviolats UVA UVB UVC, LED IR infrarojos VCSEL i compta amb centenars de socis d'alta-qualitat a nivell nacional i estranger. mercats per promoure conjuntament l'ús de la tecnologia de la llum per crear una vida sana i intel·ligent. .
