3D打印技术在骨组织工程学和儿童骨科临床的应用研究

发布时间：2018-04-08 10:53

本文选题：3D打印导引模板　切入点：计算机辅助设计　出处：《南京医科大学》2017年博士论文

【摘要】：目的探讨个体化3D打印手术导引模板能否辅助儿童骨科临床常见畸形(发育性髋关节脱位、肘内翻畸形)的精准高效矫正以及复杂股骨颈骨折的精准复位内固定治疗。方法2014年10月～2016年9月期间,共179例患者(208次手术)被纳入研究。发育性髋关节脱位116例(144髋);年龄1岁6月～12岁8月(平均3.1岁);男21例,女95例;左侧63例,右侧25例,双侧28例;101髋行股骨近段旋转短缩截骨术,39髋行股骨近段旋转短缩内翻截骨术,4髋行单纯股骨近段内翻截骨术;67髋使用3D打印导引模板,77髋使用传统手术。股骨颈骨折28例(29髋);年龄4岁1月～13岁9月(平均8.6岁);男13例,女15例;左侧12例,右侧15例,双侧1例;16髋复位后使用2枚空心螺钉固定,13髋使用儿童髋部锁定加压钢板固定;13髋使用3D打印导引模板,16髋使用传统手术。肘内翻畸形35例;年龄4岁7月～13岁3月(平均7.5岁);男21例,女14例;左侧17例,右侧18例;均行肱骨远端外侧楔形截骨矫形术,16例使用3D打印导引模板,19例使用传统手术。术前所有患者均行CT扫描,利用计算机软件进行测量分析,结合不同手术方法设计出个体化导引模板,3D打印机打印出疾病模型及导引模板,术前验证其匹配性并模拟手术,术中使用导引模板辅助精准截骨和内固定的置入。手术时间、术中出血量、射线暴露次数、骨骺损伤情况等参数均被记录。结果所有导航模板术中均与对应解剖标记匹配良好,术前规划、模拟手术及术中操作一致。股骨旋转短缩截骨术使用导引模板组和传统手术组的手术时间分别为17.09±2.87min和34.87±7.99min(p0.001),股骨旋转短缩内翻截骨术使用导引模板组和传统手术组的手术时间分别为22.33±5.12min 和 46.38±9.25min(p0.001),射线暴露次数为 3.61±0.78和 6.43±1.47 次(p0.001),骨骺损伤次数为 0 和 0.71±0.96 次(p=0.003);经过6～12月随访,根据Mckay和Severin评价标准,尽管两种术式导引模板使用组均比传统手术组有更高的优良率,但无显著性差异(p0.05)。股骨颈骨折复位至空心螺钉固定完成使用导引模板组和传统手术组的手术时间分别为13.57±1.62min和39.00±9.03min(p0.001),射线暴露次数为 3.29±0.49 和 7.78±2.33 次(p0.001),骨骺损伤次数为 0 和 2.33±1.00次(p0.001);股骨颈骨折复位至钢板固定完成使用导引模板组和传统手术组的手术时间分别为 25.17±3.25min 和 57.57±13.62min(p0.001),射线暴露次数为5.17±1.17和11.29±2.98次(p0.001),骨骺损伤次数为0和4.19±1.11次(p0.001);经过6～12月随访,根据Ratiff评价标准,两种术式导引模板使用组与传统手术组治疗效果无显著性差异(p0.05);肘内翻肱骨远端截骨术从暴露清晰至克氏针固定牢靠导引模板组和传统手术组所用手术时间分别为11.69±2.21min和22.89±3.94min(p0.001),术后患侧与健侧提携角差值两组分别为1.13±1.20°和4.21±2.27°(p0.001),经过3～6月随访,根据Bellemore标准进行评估,两组肘关节功能无显著差异(p0.05)。结论个体化3D打印导引模板可以广泛使用于儿童骨科手术,具有简化手术过程、节约手术时间、减少术中出血量及射线暴露、提高手术精确性和手术疗效的优势,值得推广应用。目的通过计算机辅助设计(computer aided design,CAD)和低能量的选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)3D打印技术制造一种具有相对大孔和高粗糙表面的钛合金(Ti-6Al-4V)组织工程支架,并和使用电子束熔融(electron beam melting,EBM)技术制备的支架进行机械力学和生物活性的比较。方法所有的支架均通过计算机软件设计支架尺寸、孔径等,分别使用SLM和EBM技术打印出支架。使用扫描电镜进行两者的微观结构的比较;使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(inductively coupled plasma-atomic emission spectrometer,ICP-AES)分析比较两种方法制备的支架各元素含量;比较两者最大承受压力及弹性模量;两种支架均体外富集骨髓血集落(Marrow clot),体外培养至4周,定期检测细胞增殖能力(CCK-8法)和活死细胞比例。结果通过SLM方法制备的支架比EBM方法制备的支架更精确,和规划设计的误差更小(孔径误差:33±20μm vs 81±37μm,P0.05;纤维直径误差:28±10 μm vs 87±38 μm,P0.05);两种方法制备过程中均有一定程度的氧化,EBM制备的支架O元素含量更低(p0.05);SLM制备的支架具有更粗糙的表面,表面有较多未融化完全的微米级的颗粒,更利于细胞贴附,同样SLM制备的支架具有更低的更接近正常骨组织的弹性模量(10.88±0.34Gpavs12.81±0.39Gpa,p0.05),但其最大承受压力显著小于EBM 方法制备的支架(3.48±0.21KNvs1.89±0.15KN,p0.05);两种方法制备的支架富集骨髓血后,骨髓间充质干细胞在第1,2,4周君显著增殖,但活死细胞比例无明显差异;CCK8方法显示SLM方法制备的支架在第1,7,14,28天细胞增殖能力显著高于EBM方法。结论可以使用低能量的SLM方法打印制备出相对大孔和高粗糙表面的钛合金(Ti-6Al-4V)组织工程支架,这样的支架具有较高的生物活性,同时具有更接近正常骨的弹性模量,避免应力遮挡效应的发生,但由于这种支架最大承受压力较低,故不适合高压力部位骨缺损的修复。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R726.8

【相似文献】