Teknologi pencetakan 3D (3DP), juga dikenal sebagai manufaktur aditif (AM), adalah teknologi yang mengekstraksi data untuk merekonstruksi model 3D komputer dan mencetak objek lapis demi lapis. Dengan menyediakan mode kombinasi yang efektif, bahan apapun bisa dicetak dalam bentuk apapun. Objek yang ditumpuk. Keuntungan teknis yang unik ini memungkinkan bahan cetak 3D untuk secara akurat mensimulasikan struktur tulang autogenous untuk perawatan ortopedi yang tepat dan personal, membawa ortopedi ke era baru penyesuaian individu. Bahan implan ortopedi cetak 3D yang telah dimasukkan ke dalam aplikasi klinis terutama meliputi polieter eter keton organik (PEEK) dan logam paduan titanium. Paduan titanium memiliki sejarah aplikasi yang panjang, kekuatan spesifik yang tinggi, biokompatibilitas yang baik, dan ketahanan korosi yang baik, dan saat ini banyak digunakan. Bahan logam lainnya seperti tantalum, paduan seng, paduan magnesium, dll belum banyak digunakan. Pencetakan 3D paduan titanium dapat diatur secara tepat dan dibangun dengan cepat secara makroskopis dan mikroskopis dekat dengan implan jaringan tulang alami. Pencetakan 3D dibagi menjadi tiga proses: pertama, mengumpulkan data gambar 3D, membuat model tiga dimensi digital, dll.; kedua, membuat bubuk paduan titanium dan sitokin menjadi "tinta bio", dan terakhir, menggunakan printer 3D biologis, sesuai dengan parameter ortopedi, untuk memperbaiki Struktur dan kinerja tubuh bioprinted, dan terakhir implan ortopedi yang memenuhi persyaratan adalah diproduksi. Saat ini, sering digunakan dalam prostesis sendi pinggul, prostesis sendi lutut, tubuh vertebra buatan, dll. Dalam praktik klinis. Ricles dkk. merangkum proporsi berbagai kategori perangkat medis cetakan 3D yang digunakan di Amerika Serikat sejak tahun 2000, paduan titanium menyumbang sekitar 70 persen , dan paduan titanium cetakan 3D telah lama matang dan digunakan di pasar. Dalam makalah ini, metode bioprinting, karakteristik dan kemajuan aplikasi klinis paduan titanium cetak 3D dalam ortopedi diulas sebagai berikut.
Metode pencetakan paduan titanium 3D
Metode utama pencetakan 3D meliputi peleburan laser selektif, stereolitografi, peleburan berkas elektron, dan teknologi pencetakan cetakan bubuk nozzle, dll. Diantaranya, teknologi peleburan laser selektif (SLM) dan teknologi peleburan berkas elektron (EBM) cocok untuk mencetak paduan titanium. Teknologi EBM memproduksi implan dengan menerapkan berkas elektron magnetokonduktif untuk melelehkan bubuk logam lapis demi lapis di bawah vakum tinggi. Presisi pencetakan EBM sedikit lebih buruk, tetapi efisiensi pencetakannya tinggi, dan tidak diperlukan perlakuan panas sekunder, sehingga cocok untuk pembuatan implan ortopedi. Saat ini, implan ortopedi paduan titanium sebagian besar dibuat dengan teknologi EBM. Teknologi SLM menggunakan laser optik berdaya tinggi untuk memadukan bubuk logam menjadi bentuk implan padat. SLM memiliki presisi pencetakan yang tinggi, tetapi efisiensi pencetakannya rendah dan membutuhkan perlakuan panas sekunder. Ini memiliki keunggulan tertentu dalam produksi implan ortopedi halus dan cetakan struktur kompleks.
Properti Paduan Titanium
Komponen utama paduan titanium adalah Ti6Al4V, yang banyak digunakan dalam ortopedi karena kinerjanya yang baik. Secara struktural, tulang terutama terdiri dari tulang kortikal luar dan tulang kanselus dalam, dengan modulus elastis masing-masing sekitar 0.5 GPa dan 10-20 GPa. Modulus elastisitas paduan titanium padat sekitar 110GPa. Setelah pencetakan 3D, modulus elastisitas bahan paduan titanium lebih rendah daripada paduan titanium biasa, yang lebih dekat dengan struktur fisiologis tulang. Paduan titanium memiliki biokompatibilitas yang baik, bermanfaat untuk pertumbuhan tulang dan osseointegrasi, dan cocok untuk persiapan implan ortopedi. Paduan titanium tidak hanya kaku, tetapi juga memiliki fleksibilitas luar biasa dan ketahanan lelah yang baik. Sangat cocok sebagai penyangga sendi dan dapat menggantikan bahan logam lainnya. Paduan titanium tidak larut dalam asam kuat dan alkali, dan masih memiliki kekuatan spesifik yang tinggi pada 500 derajat, tidak beracun bagi tubuh manusia, memiliki stabilitas kimia yang baik, dan cocok untuk ditanamkan ke dalam tubuh manusia. Paduan titanium memiliki ketahanan korosi yang baik, ketahanan lelah dan stabilitas. Dibandingkan dengan bahan logam lainnya, modulus elastisitasnya lebih dekat dengan tulang, sehingga cocok untuk ortopedi.
Status aplikasi klinis paduan titanium cetak 3D saat ini dalam ortopedi
Paduan titanium pencetakan 3D telah banyak digunakan di klinik ortopedi, seperti produksi prostesis buatan, fiksasi internal, fusi intervertebralis, pelat pemandu, tulang trabekular buatan, dll.
Penerapan operasi tulang belakang Operasi tulang belakang rumit dan kompleks, dan operasinya sulit. Seiring waktu, degenerasi segmen yang berdekatan di lokasi bedah dan mobilitas tubuh vertebra yang buruk merupakan komplikasi umum dari operasi tubuh vertebra. Memilih bahan implan yang cocok untuk tubuh vertebra dan memperbaiki komplikasi merupakan masalah yang perlu diselesaikan dalam operasi tulang belakang. Paduan titanium memiliki sifat mekanik dan ketahanan kompresi yang baik, dan teknologi pencetakan 3D digunakan untuk mempersonalisasi implan, yang cocok untuk operasi tulang belakang. Pada tanggal 19 Agustus 2014, tim Liu Zhongjun dari Rumah Sakit Ketiga Universitas Peking mengumumkan bahwa sumbu pasien berusia 12-tahun dengan sarkoma Ewing telah direseksi dan diganti dengan sumbu cetakan 3D, yang mengatasi bingkai titanium tradisional. kecenderungan untuk tenggelam dan memakai kerongkongan depan. kekurangan. Ini adalah kasus pertama yang dilaporkan di dunia yang menggunakan teknologi pencetakan 3D untuk penggantian tulang belakang aksial. Lu et al melakukan implantasi tubuh vertebra artifisial cetakan 3D pada 15 pasien yang seharusnya menjalani operasi fusi anterior, dan menyimpulkan melalui tindak lanjut pasca operasi bahwa menggunakan metode perawatan yang tepat ini dapat memulihkan struktur anatomi ke tingkat yang lebih besar dan mencegah operasi. pasca-komplikasi. Dengan perkembangan teknologi pencetakan 3D, pembuatan prototipe cepat yang terintegrasi dari paduan titanium dikombinasikan dengan teknologi pencetakan 3D, dan persiapan sangkar fusi intervertebral yang dipersonalisasi juga telah diterapkan secara klinis. Siu dkk. menggunakan paduan titanium pencetakan 3D untuk merawat pasien dengan patah tulang lumbar osteoporosis. Fusi intervertebral tradisional tidak dapat menandingi deformasi endplate pasien ini. Teknologi pencetakan 3D menggunakan bentuk pelat ujung sebagai referensi untuk mempersiapkan pasien dengan tingkat kecocokan yang tinggi. Setelah 6 bulan masa tindak lanjut, tinggi intervertebral pulih, dan tidak ada komplikasi seperti deformasi tubuh vertebra. Ketepatan pemasangan pedicle screw pada operasi tulang belakang sangat penting, jika penempatan skrup tidak tepat dapat menyebabkan kerusakan pada jaringan dan organ disekitarnya. Penerapan pelat panduan pencetakan 3D meningkatkan tingkat keberhasilan penempatan kuku, mengurangi tingkat perforasi dan tingkat kesalahan penempatan kuku, menjadikan operasi lebih akurat, dan mengurangi radiasi yang disebabkan oleh fluoroskopi dokter selama proses penempatan kuku. Penerapan paduan titanium cetak 3D pada badan vertebra buatan, perangkat fusi intervertebralis, dan operasi perbaikan tulang belakang tambahan telah meningkatkan ketepatan perawatan bedah dan mengurangi komplikasi bedah.
Penerapan Bedah Trauma Pasien bedah trauma bersifat kompleks dan individual, dan pasien sering disertai dengan beberapa patah tulang atau patah tulang yang rusak parah dan sulit diperbaiki. Paduan titanium memiliki stabilitas tinggi dan cocok untuk perbaikan patah tulang. Dikombinasikan dengan teknologi pencetakan 3D, ini dapat digunakan untuk penilaian intuitif dan simulasi pra operasi terlebih dahulu, yang kondusif untuk penerapan perencanaan pra operasi yang akurat, sehingga meningkatkan akurasi dan efisiensi pembedahan, mempersingkat waktu operasi, dan meningkatkan prognosis. Kim dkk. mengevaluasi kemanjuran pelat titanium pengunci cetak 3D dan pelat titanium pengunci tradisional pada pasien dengan fraktur kominutif parah pada radius distal. Hasilnya menunjukkan bahwa pelat titanium pengunci cetak 3D memiliki kekuatan yang sama dengan pelat titanium pengunci tradisional. Desain morfologi fraktur dan anatomi tulang menegaskan prospek penelitian pencetakan 3D dalam perawatan fraktur. Shuang dkk. menghitung 13 pasien dengan fraktur intercondylar humerus, dimana 6 kasus menggunakan pelat titanium cetak 3D dan 7 kasus menggunakan pelat titanium tradisional. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penerapan pelat titanium cetak 3D dapat mempersingkat waktu operasi dan mengurangi komplikasi. Penerapan paduan titanium cetak 3D dalam operasi trauma lebih kondusif untuk perbaikan dan penyembuhan patah tulang serta meningkatkan prognosis.
Penerapan operasi sendi Penggantian sendi buatan adalah metode yang efektif untuk mengobati penyakit sendi yang parah. Penggantian sendi secara signifikan dapat memperbaiki gejala klinis dan mengembalikan fungsi. Paduan titanium memiliki ketahanan kompresi yang baik dan ketahanan aus yang tinggi, dan cocok untuk persiapan sambungan buatan ortopedi. Dalam beberapa tahun terakhir, kombinasi paduan titanium dan teknologi pencetakan 3D telah menarik lebih banyak perhatian untuk persiapan implan yang dipersonalisasi yang sesuai dengan lesi sendi. Ding Yujian dkk. melaporkan kasus revisi pinggul pada 2019. Pasien telah menjalani reduksi terbuka dan fiksasi internal dua kali untuk "fraktur leher femoralis kiri". Dia menjalani penggantian pinggul pada tahun 2006 dan revisi pada tahun 2019. Kondisi fisik pasien dan riwayat beberapa operasi membuat operasi menjadi sulit dan berisiko. Untuk meningkatkan tingkat keberhasilan operasi, tim bedah memperoleh data pencitraan dan merekonstruksi menggunakan teknologi pencetakan 3D untuk mencetak model yang sesuai dengan panggul pasien dan model cetak 3D yang akan diganti. Prostesis paduan titanium telah dilatih untuk memastikan kelancaran operasi. Li Juehong dkk. menggunakan bantalan paduan titanium cetak 3D untuk memperbaiki cacat tulang acetabular yang kompleks. Tidak ada pelonggaran prostesis yang ditemukan pada tindak lanjut pasca operasi, dan efek kuratifnya dapat diandalkan. Indikator penting untuk mengevaluasi keberhasilan penggantian sendi adalah apakah rasa sakit dan gejala lainnya membaik setelah operasi, dan kualitas hidup membaik. Penerapan teknologi pencetakan 3D yang dikombinasikan dengan paduan titanium untuk menyiapkan implan tidak hanya memiliki karakteristik paduan titanium yang sangat baik, tetapi juga implan tersebut kompatibel dengan cacat sendi pasien. Ini memiliki kompatibilitas yang baik, mengurangi komplikasi seperti keausan sendi, dan meningkatkan kualitas hidup pasien. Wan dkk. membagi 42 pasien yang membutuhkan perbaikan acetabular menjadi dua kelompok, satu kelompok menggunakan bahan paduan titanium berpori cetak 3D, ditindaklanjuti pada 3 bulan, 6 bulan, dan 9 bulan setelah operasi, dan menemukan bahwa kelompok observasi diikuti Dibandingkan dengan kelompok kontrol, kelompok Skor SF-36 jauh lebih tinggi, dan skor VAS jauh lebih rendah, menunjukkan bahwa kelompok pencetakan 3D memiliki efek kuratif yang lebih baik. Zhang dkk. menerapkan paduan titanium pencetakan 3D untuk merekonstruksi tulang trabekuler untuk mengobati osteonekrosis awal kepala femoralis. Untuk mengevaluasi fungsi sendi pinggul, skor Harris pasca operasi dan skala analog visual nyeri (VAS) digunakan. Selama 24-bulan tindak lanjut, skor Harris pasca operasi meningkat secara signifikan dan skor VAS menurun secara signifikan pada 12 bulan setelah operasi. Dengan semakin parahnya nekrosis kaput femur, skor Harris sedikit menurun dan skor VAS sedikit meningkat. Tingkat perbaikan pasca operasi adalah 100 persen untuk tahap ARCO IIA, 70 persen untuk tahap IIB dan 0 persen untuk tahap IIC. Tingkat pemeliharaan pinggul adalah 100 persen untuk tahap IIA, 100 persen untuk tahap IIB, dan 50 persen untuk tahap IIC. Hasilnya menunjukkan bahwa metode pengobatan paduan titanium pencetakan 3D memiliki efek yang memuaskan pada nekrosis awal kaput femur, dan gejala klinis berkurang.
Penerapan operasi tumor tulang Operasi tumor tulang seringkali membutuhkan persiapan prostesis untuk menggantikan sebagian anggota tubuh. Penerapan paduan titanium cetak 3D memiliki stabilitas tinggi dan plastisitas yang baik, dan cocok untuk persiapan implan. Komplikasi pasca operasi yang lebih sedikit lebih kondusif untuk perbaikan tumor tulang pasca operasi. Pada tahun 2020, Lin Yunzhi dkk. melaporkan kasus tumor sel raksasa tulang yang menerapkan teknologi pencetakan 3D sebelum dan selama operasi. Data pencitraan dikumpulkan sebelum operasi, dan model pencetakan 3D dibuat untuk observasi intuitif. Implan cetak 3D dengan hasil yang baik. Dari 2017 hingga 2019, Lei Qing et al. menggunakan pelat panduan cetak 3D yang dikombinasikan dengan tulang trabekular paduan titanium cetak 3D untuk merawat 2 kasus pasien dengan tumor poros humerus. Tindak lanjut dilakukan setelah operasi. Diantaranya, 1 kasus memiliki hasil tindak lanjut yang baik, dan satu kasus lainnya memiliki hasil tindak lanjut yang baik setelah operasi. Prostesis mengendur pada 14 bulan dan diperkuat dengan operasi lagi. Tindak lanjut hingga 34 bulan setelah operasi menunjukkan tidak ada penggantian prostesis. Wang dkk. menggunakan teknologi pencetakan 3D untuk mencetak prostesis dan menerapkannya pada 11 pasien tumor panggul. Efek pasca operasi baik dan tidak ditemukan pelonggaran prostesis. Pada tahun 2019, Feng melaporkan kasus reseksi radikal fibroblastoma tibia dan penggunaan paduan titanium cetak 3D untuk menyelamatkan anggota tubuh. Prostesis ditindaklanjuti selama 1 tahun dan tidak ditemukan pelonggaran prostesis. Menurut skor MSTS, pemulihan fungsi adalah 86.7 persen . Ada integrasi yang baik antara tubuh dan tulang pasien. Penerapan implan paduan titanium cetak 3D pada operasi tumor tulang dapat memperoleh rekonstruksi anatomi yang lebih akurat, mempercepat pemulihan pasien, dan mencapai hasil bedah yang lebih baik.
Peningkatan teknis paduan titanium pencetakan 3D
Paduan titanium yang dikombinasikan dengan teknologi pencetakan 3D dapat mensimulasikan struktur tulang autologus secara maksimal, dan ukuran pori mikroskopis, porositas, dan bentuk pori semuanya akan memengaruhi biokompatibilitas material. Literatur yang ada menunjukkan bahwa kesimpulan penelitian tentang ukuran pori optimal paduan titanium cetak 3D tidak sepenuhnya konsisten. Studi oleh Peng et al. telah menunjukkan bahwa porositas paduan titanium cetakan 3D adalah antara 60,95 persen dan 81,23 persen , dan ukuran pori antara 480 dan 685 μm, yang cocok untuk implan ortopedi. Antara 265μm, modulus Young adalah antara 2.23-6.36Gpa, kekuatan luluh adalah 21.36-122.85Mpa, dan memiliki modulus dan kekuatan elastis yang baik. Li dkk. mempelajari biokompatibilitas tiga kelompok paduan titanium cetak 3D dengan ukuran pori 300-400 μm, 400-500 μm, dan 500-700 μm, dan akhirnya membuktikan bahwa bahan dengan ukuran pori antara {{2{ {34}}}} μm memiliki biokompatibilitas yang jauh lebih baik di dua kelompok yang tersisa. Taniguchi dkk. membuat model cacat tibia kelinci, dan menggunakan tiga kelompok paduan titanium berpori 300, 600, dan 900 μm untuk implantasi. Hasilnya menunjukkan bahwa efek pertumbuhan tulang pada kelompok 600 μm adalah yang terbaik. Cheng dkk. dibuat (15,0±2,9) persen , (37,9±4,0) persen , (70,0±3,5) persen tiga jenis bahan paduan titanium berpori, sel punca mesenkimal sumsum tulang yang diinokulasi, Hasilnya menunjukkan bahwa sel-sel pada kelompok 70 persen tumbuh paling banyak dengan penuh semangat. Hal ini konsisten dengan temuan Tamaddon et al. Selain itu, penelitian telah menunjukkan bahwa bahan paduan titanium dengan permukaan kasar lebih kondusif untuk pertumbuhan osteoblas. Ukuran pori implan yang optimal masih harus dieksplorasi. Penerapan paduan titanium pencetakan 3D dapat terus ditingkatkan, menambahkan komponen yang berbeda untuk pengoptimalan sesuai dengan situasi pasien yang sebenarnya. Untuk infeksi bedah ortopedi, paduan titanium cetak 3D dapat dikombinasikan dengan perak, seng, tembaga, dan logam antibakteri lainnya melalui teknologi modifikasi permukaan. Metode pengenalan terutama meliputi pengenalan bahan dalam bentuk paduan dan pengenalan dalam bentuk modifikasi permukaan. Metode tersebut meliputi: oksidasi mikro-arc, modifikasi elektrokimia, sputtering magnetron, metode penyemprotan, teknologi fotolitografi nanosfer, dll. Untuk luka yang tidak sembuh setelah operasi ortopedi, komponen osteoinduktif dapat dimasukkan untuk mempercepat kecepatan penyembuhan. Untuk pasien yang berbeda, pengenalan komponen yang berbeda, teknologi yang ditingkatkan dari paduan titanium pencetakan 3D dapat lebih meningkatkan penyembuhan dan mewujudkan perawatan yang dipersonalisasi untuk pasien.
Ringkasan dan Outlook
Teknologi pencetakan 3D memiliki keuntungan besar dari kustomisasi yang dipersonalisasi dan tepat. Dikombinasikan dengan karakteristik yang sangat baik dari paduan titanium, itu dapat disesuaikan sesuai dengan struktur tulang asli pasien, dan implan yang konsisten dengan bentuk tulangnya sendiri dan struktur mikro yang serupa dapat diproduksi. Keuntungan Memaksimalkan pemulihan biomekanik, mempersingkat proses adaptasi ulang jaringan lunak, mencapai pertumbuhan tulang yang lebih baik, dan mencapai penyembuhan tulang yang lebih cepat. Aplikasi klinis teknologi pencetakan 3D saat ini juga memiliki keterbatasan: (1) Pencetakan 3D yang akurat dan dipersonalisasi terlalu bergantung pada data pencitraan, yang memerlukan akurasi data pencitraan yang sangat tinggi. Mempengaruhi penerapan bahan cetak 3D. (2) Mengumpulkan data gambar dan membuat pencetakan paduan titanium 3D memerlukan printer 3D, CT pendukung, peralatan MRI, bahan paduan titanium, sistem pemodelan dan perangkat lunak, dan biaya bahan tinggi, yang tidak tertahankan bagi beberapa pasien; investasi dan penggunaan peralatan mengharuskan dokter dan Insinyur saling bekerja sama, berkoordinasi dan berpartisipasi di antara berbagai disiplin ilmu; saat ini, karena keterbatasan teknis, siklus produksinya panjang, dan operasi darurat sulit diterapkan. (3) Dalam hal pembuatan implan ortopedi, sifat mekanik yang optimal, tingkat degradasi, ukuran pori dan ukuran rongga paduan titanium cetakan 3D masih memerlukan penelitian lebih lanjut; (4) Efek jangka pendek dari paduan titanium cetak 3D memuaskan, tetapi karena waktu aplikasi yang singkat, hasil tindak lanjut jangka panjang dan penanganan komplikasi masih kurang.
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pencetakan 3D telah membuat kemajuan luar biasa di bidang medis. Secara khusus, pencetakan 3D paduan titanium telah merevolusi cara kami mendekati operasi ortopedi. Pada artikel ini, kita akan mengeksplorasi berbagai aplikasi klinis paduan titanium cetak 3D dalam ortopedi.
Pertama dan terpenting, teknologi pencetakan 3D memungkinkan pembuatan implan yang disesuaikan secara khusus dengan anatomi unik pasien. Ini sangat meningkatkan hasil bedah, mengurangi risiko komplikasi, dan mempersingkat waktu pemulihan. Misalnya, ahli bedah sekarang dapat menggunakan implan pinggul titanium cetak 3D dengan permukaan berpori yang meningkatkan pertumbuhan tulang, yang dapat sangat mengurangi risiko dislokasi.
Selain itu, paduan titanium cetak 3D dapat digunakan untuk membuat panduan pemotongan khusus pasien yang membantu ahli bedah memotong tulang secara akurat selama operasi. Hal ini tidak hanya meningkatkan keamanan dan keakuratan prosedur tetapi juga memastikan bahwa jaringan di sekitarnya terjaga, mengurangi risiko komplikasi pasca operasi.
Selain itu, teknologi pencetakan 3D telah memperluas kemungkinan perawatan patah tulang kompleks. Misalnya, pelat dan sekrup paduan titanium cetak 3D dapat dibuat khusus agar sesuai dengan struktur tulang unik pasien. Hal ini memungkinkan fiksasi fraktur yang lebih stabil, meningkatkan hasil dan mengurangi kebutuhan akan operasi tambahan.
Terakhir, penggunaan pencetakan 3D dalam ortopedi berpotensi mengurangi biaya perawatan kesehatan. Dengan menggabungkan implan yang dipersonalisasi, panduan pemotongan, dan instrumentasi bedah ke dalam satu operasi, waktu operasi dapat dikurangi, bersamaan dengan biaya yang terkait.
Kesimpulannya, kemajuan dalam teknologi pencetakan 3D telah sangat meningkatkan penerapan klinis paduan titanium dalam ortopedi. Implan yang dipersonalisasi, panduan pemotongan, dan instrumentasi bedah telah merevolusi bidang ini. Masa depan terlihat cerah di bidang ini, dan kita dapat mengharapkan perkembangan lebih lanjut dalam penggunaan pencetakan 3D dalam ortopedi. meskipun masih banyak masalah yang harus diselesaikan segera dalam teknologi paduan titanium pencetakan 3D, teknologi ini memiliki keunggulan unik, yang konsisten dengan konsep pengobatan presisi yang saat ini dianjurkan, dan memiliki nilai penelitian yang besar di bidang ortopedi. Diyakini bahwa dengan perkembangan teknologi yang berkelanjutan dan mendalam, paduan titanium pencetakan 3D dapat mengatasi kekurangannya saat ini dan menghasilkan lompatan kualitatif.
