金属3D打印植入物在医疗中的应用已超过10年，如今，仅是Arcam 的电子束熔融设备制造的3D打印髋臼杯植入物就已经达到了10万件。
而髋臼杯只是3D打印植入物中的一个种类，2016年以来不仅是Stryker, Zimmer、强生等著名骨科医疗器械制造商陆续拿到了3D打印植入物注册证，将3D打印产品正式推向市场，还有一批通过3D打印技术生产脊椎融合器等细分领域植入物的小型骨科医疗器械制造商也陆续获得了FDA的产品注册证。这些已经允许在医疗市场上销售的3D打印产品包括髋臼杯、膝关节植入物、脊柱融合器、足踝融合器等多个类别。
为什么3D打印植入物受到了众多骨科医疗器械制造商的关注？3D打印技术的价值仅在于能够灵活的实现植入物定制化生产吗？本期，3D科学谷结合英国利物浦大学Chris Sutcliffe 教授对金属3D打印植入物的特点、制造过程以及技术发展前景的观点，共同思考这些问题。
三维多孔结构促进骨整合
Sutcliffe 教授在骨科植入物增材制造领域有着20年的从业经验，他同时也是金属增材制造企业雷尼绍公司的一名研发总监，他还与骨科器械巨头Stryker公司合作进行植入物的研究工作。
Sutcliffe教授表示，提到3D打印植入物，人们通常会立即考虑到该技术在个性化植入物制造中的价值，在治疗某些骨骼严重受损的病例时，例如重建下颌骨时，通过3D打印技术制造定制化植入物的确是一种很好的解决方案，但这并不意味着所有骨科植入物治疗都有必要使用个性化植入物。
骨骼是一种活体，它将与适合的植入物结合，3D打印植入物中的多孔结构使这种融合更有效。图片来源： Stryker Orthopedics。
容易被人忽略的是，通过3D打印技术批量制造标准植入物其实是个更大的市场，但每款植入物仍可以生产不同的尺寸，由医生为患者选择最合适的尺寸进行植入。这就像商店里面出售的鞋子一样，制造商通常会为每款鞋子制造出不同尺寸，人们购买时只需选用与自己最为合适的尺寸。
与传统植入物制造技术相比，3D打印技术在成本、效率方面并不占优势，那么为什么Sutcliffe教授认为标准化植入物制造是个更大的市场呢？ 3D打印技术还有哪些特有优势呢？
在3D打印植入物表面充满了三维孔隙，这些孔看上去与人体骨骼的结构非常类似，这些仿生结构是由3D打印设备整体制造完成的，它们与植入物的寿命有关。
金属3D打印制造的三维多孔结构。图片来源：Renishaw
Sutcliffe教授表示，3D打印植入物多孔表面的模量低于常规植入物，所以金属植材料和骨骼之间的刚度差异会减小，这使得植入物与骨骼之间能够更好的“贴合”，并实现有效的骨整合。
Sutcliffe教授表示，如果把比骨骼更为坚硬的材料植入人体，那么更为坚硬的植入物材料将承担更大的应力，而骨骼承担的应力减少，这种现象会到导致人体骨组织体积和密度逐渐下降，从而导致骨折或植入物松动。初始的松动将导致磨损以及进一步的松动，最终导致植入物失败。
根据3D科学谷的了解，骨骼是一种活体材料，根据沃尔夫定律（Wolff’s Law），人体骨骼将根据它所承受的负荷进行重塑，在负荷减少的情况下，骨骼会逐渐失去骨量，或者可能发生骨吸收，引起骨折、脱位、松动。
Sutcliffe教授提到的这种显现是应力屏蔽现象，应力屏蔽就是说，当两种模量不同的材料放在一起使用时，模量大的材料承担更大的应力。以常见的植入物制造材料钛合金为例，当该材料被移植入体内，由于钛合金的模量远大于人体骨骼的模量，所以钛合金承担更多的应力作用，这将不利于新骨的生长。
金属植入物的增材制造流程
金属植入物制造的主要流程是：植入物CAD设计模型-打印准备-数据输入打印设备，然后进入到打印过程，在此过程中对质量的实时监控尤为重要。
Renishaw 的过程中质量控制技术是通过质量控制软件（例如其最新的InfiniAM Spectral软件）收集大量熔池数据，以实现可追溯的生产和工艺优化。
Sutcliffe 教授表示，雷尼绍每天约收集1TB 的数据，这些数据可用于分析是否对将来的生产有用。
挑战与机遇
目前增材制造技术制造植入物的成本仍比传统技术高，制造速度也有待提升，专为增材制造而设计一款植入物产品的难度也较高。但是一旦制造企业开发出适合用增材制造技术生产的产品，后面会得到快速的发展。
目前接受植入物手术的患者平均年龄为70岁，也就是说很多接受植入物置换治疗的患者都是高龄患者。这是由于市场上常见植入物的寿命约为15年，在植入物失败后需要进行更换，通常患者会在忍受多年病痛之后再接受植入手术。
理论上讲，针对增材制造而设计的植入物拥有更长的寿命，这使得需要进行骨关节置换的患者能够在更年轻时接受植入手术。Sutcliffe 教授表示，虽然目前增材制造植入物用于临床治疗的时间还不足够长，但至少早期数据显示，3D打印植入物与常规植入物的表现同样良好，相信未来3D打印植入物表现出的效果会更好。
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