巴塞爾大學：獨特的多孔3D打印植入物設計用于治療眼窩骨折

導讀：2021年8月4日，南極熊獲悉，來自巴塞爾大學的研究人員開發(fā)了一種新型的3D打印植入物，用于治療眼窩骨折，并降低了術后的排斥風險。

研究團隊使用Prusa i3 3D打印機和PEEK長絲打印的移植物能夠克服材料的生物惰性，這要歸功于其多孔的特點，它可以被定制以加強細胞修復。通過有限元（FE）分析，該團隊還發(fā)現他們的設備是高度可定制的，這意味著在未來，它們可以被調整以滿足個別光學病人的需求。

這項研究表明："高溫、可植入級熱塑性聚合物（如PEEK）的打印為更復雜的一代生物材料鋪平了道路。在醫(yī)療點實施FDM 3D打印可以減少材料浪費，方便對操作者進行培訓，加快植入物的生產，提高了成本效益和對不同病人的針對性治療"。

△研究人員的3D打印眼窩植入物安裝在一個頭骨模型上。照片來自巴塞爾大學

治療"眼窩骨折

說到面部傷口，眼眶內部骨折是最嚴重的損害之一。眼窩骨折是被鈍器擊中面部的常見副作用，它實際上是看到受影響患者的眼睛下方的墻壁受損，而且由于該部位的位置不明顯，這種疾病可能非常難以治療。

盡管虛擬手術計劃（VSP）的進步使處理這種眼窩骨折比以往任何時候都容易，但相關的手術材料仍然是病人達到最佳治療效果的障礙。同時，PEEK本身是一種強大的3D打印聚合物，并在這一領域顯示出相當大的潛力，但根據瑞士團隊的說法，其缺乏生物活性是一個引起臨床關注的原因。

在過去，研究人員曾嘗試過給PEEK涂層以改善其骨整合的想法，但不良的結合會導致材料的降解，最終導致骨溶解。另外，鑒于該技術固有的設計靈活性，3D打印技術越來越多地被用于外科移植，它可以實現多孔植入物，促進更多的細胞再生。

然而，盡管增材制造醫(yī)療設備具有臨床潛力，但巴塞爾的研究人員沒有發(fā)現目前有相關研究對PEEK FDM 3D打印植入物的行為進行研究。因此他們現在已經建立了一個工作流程，能夠生產定制的移植物，其特點是改善手術的適用性。

△"反向折紙 "3D打印方法。圖片來自巴塞爾大學

PEEK材料的性能優(yōu)化

首先，研究小組創(chuàng)建了幾種不同FE設計模型的眼眶網狀植入物，并使用模擬軟件來測試它們在臨床最壞情況下的性能。根據他們的研究結果，研究人員選擇將1.5毫米的螺絲點整合到他們每個設備的邊緣，作為最終使用時固定它們的手段，然后將它們導出為STL文件進行打印。

有趣的是，該團隊的初始模型由于其復雜的懸垂結構而打印失敗，迫使研究人員采取 "反向折紙"方法。在實踐中，使用Autodesk公司Inventor程序中的"unwrap"功能便可以將他們的3D植入物數字轉換為2D植入物，然后將它們擠壓成平面并手動從打印床上取下。

為了使他們的移植物再次成為三維的，研究人員隨后使用一個模具和壓力箱將它們加熱并壓縮成所需的形狀，然后對它們的質量進行分級和分析。每個設備都根據它們在0.3N下的變形以及它們的形態(tài)契合度進行標記，結果顯示，最薄的植入物在壓力下的應力水平也最高。

在與病人模型的配合和準確性方面，根據研究小組自己的評分標準，每個設備的得分至少為 "滿意"，而長方形的植入物被標記為最堅固。因此，該團隊得出結論，他們的方法與所生產的設備同樣重要，而且FE建模使他們能夠快速更新出對病人友好的設計。

"使用多標準決策（MCDM）評估，基于FE的計算分析和FDM可以在多種治療方案中進行評估，"該研究團隊在論文中解釋道："這種方法表明，可以評估一系列的組合，以達到最有效的臨床解決方案"。

△研究人員的3D打印植入物在測試中顯示的變形量都在0.107毫米或以下。圖片來自巴塞爾大學

3D打印的可視化治療潛力

鑒于人類眼窩的封閉性，它可能是一個非常困難的手術區(qū)域，但外科醫(yī)生逐漸發(fā)現，3D打印和建�？梢詭椭�提升他們治愈病人的機率。例如，今年早些時候，以色列加利利醫(yī)療中心（GMC）的醫(yī)生將3D打印與VR相結合，開發(fā)出一種可視化治療骨折的新方法。

過去，波爾圖大學的研究人員以類似的方式部署了增材制造，以幫助重建一名47歲婦女的眼睛。通過與機械和工業(yè)工程科學與創(chuàng)新研究所合作，該團隊能夠制造一個高質量的假體，同時減少其相關的準備時間和成本。

在其他方面，在巴西保利斯塔大學，科學家們已經開發(fā)出一種為那些有頜面缺陷的人捕捉和3D打印面部假體的方法�；�于智能手機捕獲的掃描，該團隊已經能夠為一位失去右眼和部分下巴的癌癥幸存者制作假體。

研究人員的研究結果詳見他們的論文，題為 "A multi-criteria assessment strategy for 3D printed porous Polyetheretherketone (PEEK) patient-specific implants for orbital wall reconstruction"。

相關論文鏈接：https://www.preprints.org/manuscript/202107.0110/v1

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