本文将介绍增材制造技术在膝关节植入体的定制技术领域的应用与面临的机遇和挑战。
TKA 假体的个性化设计
随着中国人口老龄化，骨性关节炎的发病率将会逐年上升，对于严重骨性关节炎的患者，全膝关节置换手术（Total Knee Arthroplasty, TKA）是恢复关节功能的最佳治疗方案。TKA手术需要把一套包含三个组件的全膝关节假体植入患者膝关节部位以替代原先的受损关节，如图1所示。因此TKA手术的临床效果很大程度上取决于TKA假体的设计。
目前TKA假体设计方法可以简单的理解为：首先统计一部分人群的膝关节解剖尺寸，分析解剖特点，然后预测设计参数，最后划分若干个尺寸范围设计出多个规格的产品以满足大多数患者群体的使用需求。这种设计方案通常是基于传统制造技术的特点和优势而进行的，比如铸造和机加工技术。
这种TKA假体对于中国人群的缺点是，医生和患者更信任的进口产品通常是采用西方人膝关节的生理结构进行设计，这就造成了进口产品与国内患者不匹配的现象普遍发生[3]。而国内大多数企业，受限于TKA产品漫长的研发周期、巨大的资源投入、自身薄弱的研发能力以及严苛的审核要求，往往会选择更加安全和便捷的方法——仿制。
另一方面，即使是采用了进口产品的设计方案结合中国人的解剖特点对TKA产品进行设计修改，仍然会面临不匹配的问题，原因就是传统的假体用极其有限的规格尺寸来匹配数量庞大的患者群体，这就不可避免的产生假体不适配的问题，图1展示了膝关节假体典型的不适配情况。假体不适配会给患者带来诸多问题，如假体稳定性降低，膝关节功能受限，产品生存周期缩短等[2]。
为了解决TKA假体不适配的问题，我们是否可以对每一位患者进行膝关节假体的私人定制呢？为了实现这一目的，我们首先应该获取患者膝关节部位的影像学数据，例如CT或者MRI扫描图像；接着要基于患者的影像数据进行膝关节骨模型的三维重建，只有获得了完整且清晰的三维结构参数，才可以真正意义上实现假体的个性化设计。基于这一思路，我们开发了一套完善的医工交互个性化设计方案，具体流程如图2所示。
首先采集患者医学影像数据（CT 或者 MRI），随后通过逆向重建技术获取膝关节部位的三维骨模型，在三维模型上根据患者个体解剖差异和病理特点规划手术方案，紧接着基于术前规划获取患者解剖参数，最后将这些个性化的解剖参数作为设计输入来控制假体的最终设计结果。这种个性化设计方法能够获得非常理想的适配效果，如图3所示，假体在各个截骨面的覆盖率超过98%，并且几乎没有过度覆盖的现象发生[4]，软组织激惹和截骨面渗血量大的问题被迎刃而解。
术前截骨规划是基于患者个体差异而定制的个性化手术方案，为了将这一方案在手术中精准的复现，我们需要有针对性的设计一套完整的个性化手术导板，在假体与手术导板的相互配合下，手术操作才能被顺利且准确的实施。不同于传统的标准化的手术器械，个性化手术导板可以根据患者骨面的三维特征进行精准定位，手术操作的创伤性更小，术中截骨导航更加精准且操作十分便捷；个性化手术导板的另一个重大优势是打破了假体规格尺寸的限制，使得个性化设计能够在一个更加自由的维度上进行，无需考虑通用手术器械的局限性[5]。
TKA假体的3D打印
获得了理想的设计模型仅仅是第一步，如何制造出来才是关键。想要制作出理想的个性化膝关节假体需要攻克以下两个主要的技术难题：一是找到一种适合生产单件产品的加工技术，与此同时，加工得到的产品需要满足膝关节产品的力学性能、疲劳性能、磨损性能以及生物安全性等多方面的苛刻要求。
对于个性化的医疗器械，通常采用3D打印技术进行生产。医疗领域常用的3D打印材料为钛合金和尼龙材料，其中，钛合金材料可以采用电子束或者激光作为热源，这两种3D打印技术在髋关节、膝关节和脊柱等部位的植入体上都有不同程度的应用，如髋关节假体、膝关节填充块和椎间融合器等植入体，通过3D打印技术加工出多孔骨小梁结构从而提升植入体与骨组织的结合能力[6]，缺点是致密度低，疲劳性能与铸造工艺相差较大。尼龙材质通过激光烧结技术可以制作出强度和生物安全性均较高的个性化手术导航器械，类似的定制化手术器械在膝关节手术领域已有一定程度的应用，并且与传统器械相比这种新型的手术工具表现出出色的术中定位精度，能够大幅度提升手术效果[7]。但是这种材质的打印精度和表面质量相对于传统器械仍然存在一定的差距。两种技术似乎都无法满足膝关节产品的直接打印生产。
在华南理工大学杨永强教授的带领下，团队成员在国内首先开启了以激光为热源的钴铬钼合金材料3D打印工艺和设备的研，经过多年的沉淀与积累团队成功攻克了高致密金属材料的工艺难题[8]。激光3D打印的核心技术在于激光与扫描策略的精准控制[9] ，团队成员自主研发激光控制与路径规划软件并针对钴铬钼合金材质进行针对性的工艺优化，将打印件的致密度提升至99.8%，抗拉强度可以达到1100 MPa，屈服强度超过600 MPa，断裂延伸率最高可达42.5%，达到甚至超过传统铸造工艺。团队所采用的激光3D打印设备如图4所示，该设备配备200 W光纤激光器，激光波长范围1060~1080 nm。
图4 DiMetal-100H 金属3D打印机
图5显示，工艺优化后的3D打印钴铬钼合金件抛光面可以实现高致密效果，200倍镜下几乎没有微观孔隙与裂纹。高致密的钴铬钼合金打印件的金属离子析出量和析出速率被大幅度缩减，远低于铸造钴铬钼合金材料[10]，产品的生物安全性得到了有效的保障。基于这一出色的工艺，3D打印的膝关节假体表现出了与铸造产品相媲美甚至更加优异的磨损性能和疲劳性能。
图 5 3D打印钴铬钼合金显微组织。（a）为200倍镜下打印件的横断面抛光效果，可以看到抛光面致密无明显缺陷；（b） 为打印件的金相显微组织图，可以看到其组织形态为基体 γ 相中分布着细小片状和网状马氏体组织，组织晶粒细小，马氏体片之间不互相平行，存在着大量的孪晶，存在少量夹杂物。结构致密，无明显缺陷；（c）为打印的膝关节假体样品抛光效果，肉眼无法观察出表面缺陷。
总结
针对个性化膝关节产品的设计思路与制造方案，文章进行了系统的介绍，讨论了这种基于患者自身特征的个性化定制手术治疗方案的必要性和可行性，同时也介绍了3D打印工艺的优势与应用效果，给出了全膝关节假体个性化定制与快速制造的解决方案。
作者简介：
王安民，硕士研究生，纳通生物（北京）有限公司研发工程师，3D打印个性化膝关节产品开发项目技术负责人；
李仁耀，北京航空航天大学在读博士，膝关节产品研发项目核心成员；
曾劲松，纳通生物（北京） 有限公司总经理，管理与运动医学产品开发总负责人；
原福贞，博士，北京大学第三医院助理研究员，3D打印个性化膝关节产品开发项目核心成员。
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