The current concept of large-segment bone defect treatment is still to complete the replacement and fusion of bone tissue by means of autologous, allogeneic or artificial bone graft filling, that is, "bone-bone" interface fusion. The theory is deeply rooted, but the clinical effect is poor. A research team from research institutions such as Peking University Third Hospital used a custom-made 3D-printed titanium alloy porous implant to repair large-segment bone defects in a research work, realizing the patient's early limb function recovery and long-term "implant- Reliable fusion of the "bone" interface, with significantly improved efficacy.
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जल्दी और लंबे समय तक सुधारें-अवधि की प्रभावकारिता
बायोएक्टिव मैटेरियल्स जर्नल में प्रकाशित संबंधित शोध पत्र
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.03.030
This research work was supported by the National Key RD Program of the Ministry of Science and Technology of the People's Republic of China (2016YFB1101501).
block Traditional "bone-bone" fusion treatment concept
आघात, संक्रमण, या ट्यूमर के उच्छेदन के कारण बड़े खंडीय अस्थि दोष हमेशा एक चुनौतीपूर्ण नैदानिक समस्या रही है। लगभग 5 प्रतिशत -10 प्रतिशत फ्रैक्चर में विलंबित संघ या गैर-अनुभव का अनुभव होता है, और लगभग सभी खंडीय हड्डियों के नुकसान का परिणाम गैर-संघर्ष में होता है। दुनिया भर में, आर्थोपेडिक्स, न्यूरोसर्जरी और दंत चिकित्सा में हड्डी के दोषों के इलाज के लिए सालाना 2.2 मिलियन से अधिक बोन ग्राफ्ट किए जाते हैं।
Classical techniques for the treatment of large bone defects include the Ilizarov technique, the induction of bone regeneration through biofilms (Masquelet technique), autologous vascularized cortical bone grafting, and titanium mesh (filled with autologous or allogeneic bone) implantation techniques. The above treatments have their own characteristics depending on the technology, but they are essentially based on the concept of "bone-bone" fusion, that is, autologous bone, allogeneic bone or artificial bone is transplanted and filled in the defect area, and replaced by bone tissue repair. Complete the connection and fusion of the bones at both ends of the defect area.
हालांकि, नैदानिक अभ्यास से पता चलता है कि ये उपचार आदर्श नहीं हैं और कभी-कभी अविश्वसनीय भी होते हैं। Ilizarov प्रक्रिया के माध्यम से अस्थि परिवहन आमतौर पर ठीक होने में कई महीने लगते हैं, इस दौरान रोगी सामान्य रूप से चलने में असमर्थ होता है। रीढ़ की बहु-सेगमेंटल कंकाल संबंधी दोषों के उपचार के लिए इस पद्धति का उपयोग किए जाने की संभावना और भी कम है। मास्कलेट तकनीक और ऑटोलॉगस वैस्कुलराइज्ड कॉर्टिकल बोन ग्राफ्टिंग की विधि हड्डी के संलयन को बढ़ाने में मदद करती है, लेकिन तत्काल पश्चात स्थिरीकरण प्राप्त करना मुश्किल है। बोन ग्राफ्ट सामग्री के रूप में बड़ी मात्रा में एलोजेनिक/ऑटोलॉगस बोन की आवश्यकता के कारण, अतिरिक्त सर्जिकल बोन रिमूवल (जैसे इलियाक बोन रिमूवल) की अक्सर आवश्यकता होती है। टाइटेनियम जाल को हड्डी दोष क्षेत्र में प्रत्यारोपित करने की विधि कुछ हद तक विभिन्न भ्रष्टाचार सामग्री के आवेदन के लिए सुविधा प्रदान करती है, लेकिन इसका निर्धारण प्रभाव सीमित है, और इसमें आसान ढीलापन, घटाव या विस्थापन की कमियां भी हैं। वास्तव में, कुछ हदबंदी साइटों, जैसे मेटाफिसिस में इलिजारोव और मैस्कलेट जैसी तकनीकों को लागू करना भी मुश्किल है।
To sum up, various traditional techniques based on the concept and theory of "bone-bone" fusion have many shortcomings or defects in the treatment of large segmental bone defects: the treatment process is long, and the limbs of patients after surgery are not immediately, early, or surgically removed. After a long period of time can not bear weight.
ब्लॉक 3 डी प्रिंट झरझरा टाइटेनियम प्रत्यारोपण
"Implant-bone" interface fusion
उपरोक्त-उल्लिखित विधियों की तुलना में, जिनमें बड़ी मात्रा में एलोजेनिक/ऑटोलॉगस बोन फिलिंग की आवश्यकता होती है, हड्डी दोषों की मरम्मत और पुनर्निर्माण के लिए 3डी-मुद्रित झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपण के आवेदन के स्पष्ट लाभ हैं। सबसे पहले, प्रत्यारोपण को हड्डी दोष के आकार के अनुसार ठीक से अनुकूलित किया जा सकता है, बिना बोन ग्राफ्ट की आवश्यकता के; इसके अलावा, धातु कृत्रिम अंग के फायदों के अनुसार, प्रत्यारोपण और आसन्न हड्डियों के बीच तत्काल स्थिरीकरण प्राप्त करने के लिए एक निर्धारण उपकरण तैयार किया जा सकता है, ताकि रोगी सर्जरी के बाद जल्दी बिस्तर से बाहर निकल सके; झरझरा संरचनात्मक विशेषताएं, आसन्न हड्डी के ऊतकों को इसमें विकसित होने के लिए आकर्षित करती हैं, और अंत में इम्प्लांट का स्थायी संलयन प्राप्त करती हैं -हड्डी इंटरफ़ेस।
चित्रा 1. एक 4 सेमी ऊरु दोष का पुनर्निर्माण करने के लिए 3डी मुद्रित झरझरा Ti6A14V प्रत्यारोपण के रेडियोलॉजिकल और बायोमेकेनिकल विश्लेषण। (ए) एक्स-प्रत्यारोपण के बाद 1, 3 और 6 महीने में किरण चित्र (i-iii) आरोपण के बाद 1, 3 और 6 महीने में कंप्यूटेड टोमोग्राफी छवियां (iv-vi) . नीले तीर दोष स्थल पर या इम्प्लांट की बाहरी सतह पर नवगठित हड्डी का संकेत देते हैं। (vii) प्रत्येक समूह का रेडियोलॉजिकल स्कोर। (n=4) (B) MicroCT 3D पुनर्निर्माण चित्र (i-iii) समूह 1, 3, और 6 महीने बलिदान के बाद (ग्रे टाइटेनियम मिश्र धातु को इंगित करता है, हरा नई हड्डी को इंगित करता है)। (iv) प्रत्येक समूह (n=4) के पेरी-प्रत्यारोपण और-फोरम क्षेत्रों में अस्थि आयतन अंश के मात्रात्मक परिणाम।
हालांकि, हड्डी के दोषों (विशेष रूप से बड़े-खंड हड्डी दोष) की मरम्मत के लिए 3डी प्रिंटेड झरझरा प्रत्यारोपण का उपयोग करने के नैदानिक चिकित्सीय प्रभाव के लिए न केवल अनुवर्ती मामलों के अवलोकन परिणामों की पुष्टि की आवश्यकता होती है, बल्कि यह भी आवश्यक है कि साक्ष्य के रूप में प्रासंगिक पशु प्रयोगात्मक अध्ययन के परिणाम। इसके लिए, अनुसंधान दल ने -गहराई से और व्यवस्थित अन्वेषण और अनुसंधान किया।
Figure 2. Biomechanical analysis of 3D printed porous Ti6A14V implants for reconstruction of 4 cm femoral defects. (A) Three-point flexural strength of each group of samples (n = 4) (B) Stress distribution of the "implant-bone" complex at (ii) 1000 N, (iv) 2000 N and (vi) 3000 N. Displacement distribution of the "implant-bone" complex at (i) 1000N, (iii) 2000N and (v) 3000N. (p<0.01,><>
In view of the shortcomings of the traditional "bone-bone" fusion method in the treatment of large-segment bone defects, and based on the experience of exploratory treatment of large-segment bone defects and the results of relevant animal experiments, the research team proposed a new large-segment bone defect. The technology and concept of bone defect repair and reconstruction: "implant-bone" interface fusion.
Figure 3. Histological analysis of 3D-printed porous Ti6A14V implants for reconstruction and repair of 4 cm long femoral defects. (A) Goldner's trichrome staining (i-iii) of 1, 3 and 6 month groups. (iv) Quantitative results of implant-bone growth and implant-bone contact rates in the three groups. (v) The ratio of mineralized bone to osteoid in each group (n = 10). (B) Fluorescent labeling of new bone around the implant and in the pores. (White arrows indicate titanium columns, green and yellow bands indicate calcein- and tetracycline-labeled new bone, respectively). (i) Osseointegration around the implant in the 1-, (iii) 3- and (v) 6-month groups. (ii) 1-, (iv) 3-, (vi) osseointegration in plant pores in 6-month groups.
The basic idea is: a. The 3D printed porous titanium alloy prosthesis is implanted into the bone defect area, and the two ends of the implanted prosthesis are connected and fixed with the adjacent host bone, so as to realize the immediate (or early) functional recovery of the patient's limb; b . The implanted prosthesis is designed as a porous structure to attract adjacent bone tissue to grow into it and surround it to achieve "implant-bone" interface fusion.
Figure 4. 3D printing of porous Ti6Al4V implants to reconstruct spinal bone defects (case 1). (A) (i-vi) 1 month (i), 3 months (ii), 7 (months iii), 12 months (iv), 24 months (v) and 32 (vi) postoperatively "Implant-bone" X-ray image of Moon. Blue arrows indicate the implant-bone interface or new bone on the outer surface of the implant. (B) CT images at 3 months (i), 7 months (ii), 12 months (iii), 28 months (iv), 32 months (v) and 36 months (vi) after surgery. Blue arrows indicate the implant-bone interface or newly formed bone on the outside of the implant.
Of course, if the porous structure of the implant grows through the bone tissue, it is ideal to form a "bone-bone" fusion, but it is difficult to become a reality. However, when the two ends of the implant prosthesis are effectively fused with the host bone at a distance of several millimeters, it can already meet the needs of the patient to restore the motor function of the limb. The research team applied the 3D-printed porous titanium alloy implants made by electron beam melting (EBM) technology to the clinical treatment of a group of large-segment bone defects, and achieved better than expected results. At the same time, the research team used the small-tailed Han sheep to create a long-segment femoral defect model to study the osseointegration characteristics of this method, and to provide a supporting basis for the treatment effect of clinical cases.
चित्रा 5. 3डी-ऊरु दोष (केस 2) के पुनर्निर्माण के लिए झरझरा Ti6Al4V इम्प्लांट मुद्रित। अंतिम सर्जरी (ए) और 2 (बी), 5 महीने (सी), 8 महीने (डी), 14 महीने (ई) और 20 महीने (एफ) के तुरंत बाद पुनर्निर्मित 11 सेमी ऊरु दोष का एक्स आरोपण रेखा छवि के बाद। नीले तीर इम्प्लांट और मेजबान हड्डी के बीच ऑसियोइंटीग्रेशन का संकेत देते हैं।
Figure 6. 3D-printed porous Ti6Al4V implant to reconstruct pelvic bone defect (case 3). Photographs of the actual "implant-bone" complex specimen taken from (A) lateral and (B) anteroposterior views. The location of the "implant-bone" interface area indicated by the blue arrow (C) Histological image of the "implant-bone" interface, showing new bone growing into the porous implant pores. Micro-CT images of the "implant-bone" contact area in (D) midsagittal plane, (E) coronal plane and (F) transverse plane.
In this study, the research team successfully treated large segmental bone defects caused by various etiologies by 3D printing porous titanium alloy implants without using autologous/allogeneic bone grafts or any osteoinductive agents. immediate and long-term biomechanical stability. Animal experiments have shown that bone can grow into the pores to a certain extent and gradually remodel, so that the "implant-bone" complex can achieve long-term mechanical stability. In addition, this study also proposes a new "implant-bone" interface fusion concept for the treatment of large segmental bone defects, which is different from the traditional "bone-bone" fusion concept.
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