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.
© 3D Science Valley White Paper
早期および長期の有効性を改善する-
ジャーナルBioactiveMaterialsに掲載された関連研究論文
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
外傷、感染、または腫瘍切除による大きな分節骨欠損は、常に挑戦的な臨床問題でした。 骨折の約5％〜10％は、癒合の遅延または非癒合を経験し、ほぼすべての分節性骨量減少が非癒合をもたらします。 世界中で、整形外科、脳神経外科、および歯科における骨欠損を治療するために、毎年220万を超える骨移植が行われています。
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.
しかし、臨床診療では、これらの治療法は理想的ではなく、時には信頼できないことさえあることが示されています。 イリザロフ手順による骨の輸送は、通常、治癒するのに数か月かかります。その間、患者は正常に動くことができません。 この方法は、脊椎の複数の-分節骨格欠損の治療に使用される可能性はさらに低くなります。 Masquelet技術と自家血管新生皮質骨移植の方法は、骨癒合を強化するのに役立ちますが、術後すぐに安定させることは困難です。 骨移植材料として大量の同種/自家骨が必要なため、追加の外科的骨除去（腸骨除去など）が必要になることがよくあります。 チタンメッシュを骨欠損部に移植する方法は、様々な移植片材料の適用にある程度便利ですが、その固定効果は限られており、緩み、沈下、または変位が容易であるという欠点もあります。 実際、イリザロフやマスケレットなどの技術は、骨幹端などの特定の解離部位にも適用するのが困難です。
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.
ブロック3Dプリント多孔質チタンインプラント
"Implant-bone" interface fusion
大量の同種/自家骨充填を必要とする上記の-方法と比較して、骨欠損を修復および再建するための3D-印刷多孔質チタン合金インプラントの適用には明らかな利点があるようです。 第一に、インプラントは、骨移植を必要とせずに、骨欠損の形状に応じて正確にカスタマイズすることができます。 さらに、金属製プロテーゼの利点に応じて、固定装置を設計して、インプラントと隣接する骨の間を即座に安定させることができるため、患者は手術後早期にベッドから出ることができます。 多孔質の構造的特徴は、隣接する骨組織を引き付けて成長させ、最終的にインプラントの永久的な融合を実現します-骨界面。
図1.4cmの大腿骨欠損を再建するための3Dプリントされた多孔質Ti6A14Vインプラントの放射線学的および生体力学的分析。 （A）移植後1、3、および6か月のX -線画像（i - iii）移植後1、3、および6か月のコンピューター断層撮影画像（iv - vi） 。 青い矢印は、欠損部位またはインプラントの外面に新しく形成された骨を示しています。 （vii）各グループの放射線スコア。 （n =4）（B）犠牲後1、3、および6か月のグループのMicroCT 3D再構成画像（i - iii）（灰色はチタン合金を示し、緑色は新しい骨を示します）。 （iv）各グループ（n =4）のペリ-インプラントおよび-フォーラム領域における骨体積分率の定量的結果。
ただし、3Dプリントされた多孔質インプラントを使用して骨欠損（特に大きな-セグメントの骨欠損）を修復する臨床治療効果には、フォローアップ-症例の観察結果の確認だけでなく、証拠としての関連する動物実験研究の結果。 この目的のために、調査チームは-詳細かつ体系的な調査と調査を実施しました。
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.
図5.大腿骨欠損を再建するための3D-印刷された多孔性Ti6Al4Vインプラント（ケース2）。 最後の手術直後の再建された11cmの大腿骨欠損のX（A）および2（B）、5ヶ月（C）、8ヶ月（D）、14ヶ月（E）および20ヶ月（F）の移植ライン画像。 青い矢印は、インプラントとホストの骨の間のオッセオインテグレーションを示しています。
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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