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
Förbättra tidig och långsiktig-effektivitet
Relaterade forskningsartiklar publicerade i tidskriften 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
Stora segmentella bendefekter på grund av trauma, infektion eller tumörresektion har alltid varit ett utmanande kliniskt problem. Cirka 5 procent -10 procent av frakturerna upplever fördröjd förening eller nonunion, och nästan all segmentell benförlust resulterar i nonunion. Över hela världen utförs mer än 2,2 miljoner bentransplantat årligen för att behandla bendefekter inom ortopedi, neurokirurgi och tandvård.
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.
Klinisk praxis visar dock att dessa behandlingar inte är idealiska och ibland till och med opålitliga. Bentransport genom Ilizarov-proceduren tar vanligtvis flera månader att läka, under vilken tid patienten inte kan röra sig normalt. Denna metod är ännu mindre sannolikt att användas för behandling av multi-segmentella skelettdefekter i ryggraden. Masquelet-tekniken och metoden för autolog vaskulariserad kortikal bentransplantation hjälper till att förbättra benfusionen, men det är svårt att uppnå omedelbar postoperativ stabilisering. På grund av behovet av en stor mängd allogent/autologt ben som bentransplantatmaterial, krävs ofta ytterligare kirurgiskt benborttagning (såsom borttagning av höftbensben). Metoden att implantera titannätet i bendefektområdet ger bekvämlighet för appliceringen av olika transplantatmaterial i viss utsträckning, men dess fixeringseffekt är begränsad och den har också bristerna att lätt lossna, sjunka eller förskjutas. Faktum är att tekniker som Ilizarov och Masquelet också är svåra att tillämpa på vissa dissociationsställen, såsom metafysen.
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.
block 3D skriver ut porösa titanimplantat
"Implant-bone" interface fusion
Jämfört med de ovannämnda-metoderna som kräver en stor mängd allogen/autolog benfyllning, verkar tillämpningen av 3D-tryckta porösa titanlegeringsimplantat för att reparera och rekonstruera bendefekter ha uppenbara fördelar. För det första kan implantaten anpassas exakt efter formen på bendefekten, utan behov av bentransplantat; dessutom, enligt fördelarna med metallproteser, kan en fixeringsanordning utformas för att uppnå omedelbar stabilisering mellan implantatet och intilliggande ben, så att patienten kan gå upp ur sängen tidigt efter operationen; Porösa strukturella egenskaper som lockar intilliggande benvävnad att växa in i den och slutligen uppnå permanent sammansmältning av implantatets-bengränssnitt.
Figur 1. Radiologisk och biomekanisk analys av 3D-tryckta porösa Ti6A14V-implantat för att rekonstruera en 4 cm lårbensdefekt. (A) Röntgenbilder 1, 3 och 6 månader efter implantation (i-iii) Datortomografibilder 1, 3 och 6 månader efter implantation (iv-vi) . Blå pilar indikerar nybildat ben vid defektstället eller på implantatets yttre yta. (vii) Radiologisk poäng för varje grupp. (n=4) (B) MicroCT 3D-rekonstruktionsbilder (i-iii) av grupperna 1, 3 och 6 månader efter avlivning (grå indikerar titanlegering, grön indikerar nytt ben). (iv) Kvantitativa resultat av benvolymsfraktion i peri-implantatet och i-foramregionerna i varje grupp (n=4).
Den kliniska terapeutiska effekten av att använda 3D-tryckta porösa implantat för att reparera bendefekter (särskilt stora-segmentbendefekter) kräver inte bara bekräftelse av observationsresultaten från uppföljningsfall, utan också resultat från relevanta djurexperimentella studier som bevis. För detta ändamål genomförde forskargruppen en-djupgående och systematisk utforskning och forskning.
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.
Figur 5. 3D-tryckt poröst Ti6Al4V-implantat för att rekonstruera femoral defekt (fall 2). X av den rekonstruerade 11 cm lårbensdefekten omedelbart efter den sista operationen (A) och 2 (B), 5 månader (C), 8 månader (D), 14 månader (E) och 20 månader (F) efter implantationslinjebilden. Blå pilar indikerar osseointegration mellan implantat och värdben.
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.
GMKJ Technology är djupt engagerat i hälsosamma och smarta ljuskällor, förser marknaden med ett komplett utbud av ultravioletta UVA UVB UVC LED, infraröd IR LED VCSEL produkter och lösningar, och har hundratals högkvalitativa-partners i inhemska och utländska marknader för att gemensamt främja användningen av ljusteknik för att skapa ett hälsosamt och smart liv. .
