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骨科生物力学专家戴尅戎:3D打印或将改变就医格局
2013年4月3日    评论:    分享:

    来源:大公网
    记者:贺天宝 实习生 吴瑞莲 制图 邬思蓓

    如今这个世界可谓无奇不有,丰富多彩,当人们在欢呼宇航员征服月球成功实现“太空漫步”时,“奇迹”也开始降临在人类自身:缺损的头颅骨,经过修补,可以完好如初;逼真的人耳可以在身体上瞬间“长出”;骨盆长了肿瘤,切除后还能重新装上新的……创造这些奇迹的正是被列为21世纪初世界十大科技进步之一的“3D打印”。

  中国工程院院士戴尅戎率先将3D打印技术引入到中国骨科界,由此“3D梦”之旅就此渐渐展开,无数病人、医生梦寐以求的个性化治疗愿望得以实现,他和他的团队也正带领我们一步步走向人类“脱胎换骨”的梦想实现。

给你脱胎换骨,3D打印智造人类骨骼
中国工程院院士  骨科生物力学专家
上海交通大学医学院附属第九人民医院
上海市关节外科临床医学中心主任
戴尅戎

     3D打印改变了女孩的一生

  这是一个来自内蒙古大草原的十九岁女孩,看她的背影,身材修长,亭亭玉立。可是,谁又能想到,女孩从小就因多发性脂肪瘤,左腿从脚趾到髋关节处广泛发育畸形,整条腿就像“麻花”一样又弯又拧。为了不用拐杖,倔强的女孩每天都单腿跳着上学。她一直梦想着有一天,自己能够像正常人一样双脚着地走路。十九岁这一年,女孩遇到了人生的一大难题:是接受截肢回学校读书考大学,还是继续四处求医寻求保肢良方?此前,女孩的母亲不知找了多少家医院,甚至为了凑钱给女儿治病,已经到了卖房求医的地步。最后一站,母女俩从内蒙古千里迢迢赶到上海,来到上海交通大学附属第九人民医院。踏进医院的那一刻,女孩有过一丝犹豫,因为她不知道这里究竟是重生的开始,亦或是梦想的终结。

  在第九人民医院,戴尅戎接待了女孩。看着女孩严重畸形的左腿,他不禁陷入了沉思。这个病例实属罕见,若要治疗,不但需要切除肿瘤植入人工关节,同时人工关节还要能对腿骨的扭曲进行矫形,可是当时没有一种类型的人工关节能完成这样的任务。戴尅戎想,也许可以试试最新的3D打印技术。

骨科生物力学专家戴尅戎:3D打印或将改变就医格局

  提取女孩左腿的CT参数,去除片子上的肌肉、内脏等影像,再将数据输入3D打印机,戴尅戎在3D打印技术(又称快速原型技术)的帮助下打印出了女孩畸形的下肢骨胳和关节。在模型上,戴尅戎看到虽然股骨和小腿骨都有弯曲,但畸形主要集中在膝关节处——膝盖只能伸直到90度,而且还水平扭转了60度。“只要让膝关节恢复正常角度,也许就能解决大部分畸形了! ”戴尅戎这么想着。在模型的帮助下,戴尅戎团队对手术进行了充分、细致的设计,一次又一次地在模型上进行手术模拟。

  他计划先将膝关节处的韧带全部切断,将其转回正常的角度,接着再把膝盖骨也搬回原位。这么做并不难,可是韧带一断,关节不就很容易松动,甚至脱位吗?戴尅戎心里不断琢磨着:“看来只能在女孩关节处安装人工关节和几个制约装置,借助外力让关节不要松动。 ”同时,戴尅戎也实施了为女孩做大腿和小腿的截骨矫正和肿瘤切除,让女孩重获新生。术后一个月,在双拐的帮助下,女孩有生以来第一次双腿着地走路,她多年的梦想终于实现了!一年后,她如愿考上大学。三年后的今天,如今大三的她已经可以脱拐走路。

  上世纪80年代,在一次烟台举办的人工关节会议上,戴尅戎和时任交大精密机械系主任的王成焘结下了不解之缘。当时谁也不曾想到,此番相识竟促成了他俩此后多年的合作。他们在国内外首先提出了优先区定制的概念,首次将3D打印技术推广到膝、肩、踝、肘、腕、骨盆等各个部位。戴尅戎说:“如果需要的话,现在我们可以对四肢所有关节、骨头进行定制,从而制造出个性化的假体。”据了解,现在已有数百例病人在3D打印技术的帮助下制作了个体化的骨关节修复假体。

  目前,在第九人民医院,3D打印技术除了用于骨科,还辅助整复外科、口腔科、眼科的医生制作塑料模型,在给患者修复颅骨、修整下巴、重塑颧骨、眼眶等部位时派上用场。

    有望实现一步打印“人骨”

  3D打印机是如何工作的?它和传统打印机工作时最大的区别在哪里?当3D打印机工作时,透过玻璃观察窗可以看到,打印机发射出的电子束或激光,正在迅速融化材料粉末,如此一点一点、一层一层地往上堆叠材料,慢慢地,一个凹凸有致的人工半骨盆便成型了。此时再对比之前的CT照片,可以发现二者之间造型几乎无异,甚至模型里面还内含空隙,可供血管和细胞长入。经过冷却,扫去多余的粉末,栩栩如生的骨盆便诞生了。

  戴尅戎说: “目前3D打印出的大多数还仅仅是模型,无法直接植入人体内,之后还是要到工厂运用传统的减量制造工艺制作假体。”

  难道3D打印就没有办法直接打印出可以植入人体的关节吗?戴尅戎表示,若想直接打印出金属制品也不是不可以,但在技术层面需要进行极大逾越。据了解,为了将金属粉进行融合,需要1000度以上的高温,而且某些金属,比如钛在高温下就会变成氧化钛,显著降低了制品的物理性能。因此为了防止氧化,目前只有采取两种办法:一是制造真空环境,二是充入惰性气体氮气。这样一来,情况就复杂了许多。所以,近十年来, 3D打印金属制造技术一直是新的发展热点。

  可喜的是,如今医生们翘首以盼新一代3D打印机已实现技术突破,打印头能发射温度极高、焦点集中的电子束或激光,迅速融化金属或陶瓷,一点一点完成粉末材料的 “堆叠”。而用金属材料直接打印的人工骨胳不仅能更好地与周围组织融合,而且相比传统植入物,这种人工骨拥有移植所需要的刚度和强度。戴尅戎透露,预计再经过几年的时间试验和申请批准,就可进行使用。如此看来,人类实现“脱胎换骨”之梦仅剩下一步之遥!

  戴尅戎介绍,到时不用再根据模型制作假体,这将节省大量时间,并且,由于材料的高使用率,使得生产一件产品和生产大量同样产品的单价相同,也就是说,在获得个性化的产品同时还不多花钱,真是一举两得。

    3D打印或将改变就医格局

  3D打印技术将对人类生活带来巨大变化,戴尅戎表示,若干年后,大规模的流水线制造模式极可能逐步走向终结,个性化的模式将受到推崇。随着生产流水线的关闭,3D打印的兴起,一些需要大量厂房及工人的 “大产业”可能又会重新倒退回“小作坊”。而这,对个性化的人工器官制造,将迎来一个新纪元。

  戴尅戎说:“未来,个性化的人工器官制造,不一定非得在城市。只要有3D打印设备,偏远地区也可以根据传送“图纸”自制人体零部件。 ”因此,各类产品的制造可能会由现在的集中生产、全球分销变成分散生产、就地销售。物流业也将发生巨大转变,运输、销售成本将大幅度降低。

  “以后,也不用因为需要等待“人体零部件”影响手术时间了。而创新也可以变得很简单,一台笔记本电脑、一部3D打印机加上一个聪明的头脑就能把创意轻松‘打印’成样品。 ”戴尅戎解释道。

  戴尅戎表示,人类的生活方式也因此而悄然改变。曾经,第一次工业革命揭开了资本主义工业化序幕,开始了城市化进程;第二次工业革命使工业化进入新阶段,城市化速度加快。新的第三次工业革命说不定会反过来掀起 “反城市化”趋势。戴尅戎预测:“许多人将不再执着于城市生活,转而搬到城市周边甚至更远的地区居住,享受那里的优美风光。同时不用担心那里“缺医少药”。这将导致人口的重新布局,大城市人口密集的弊端可能化解。当然,这会是一个比较长远的过程。 ”戴尅戎说。

标签:3D打印医学医疗戴尅戎
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