我國(guó)每年約有不少于300萬(wàn)例的醫(yī)療人體骨骼植入，每例價(jià)格達(dá)數(shù)萬(wàn)乃至十多萬(wàn)元。據(jù)南方醫(yī)藥經(jīng)濟(jì)研究所數(shù)據(jù)，2018年國(guó)內(nèi)骨科植入耗材市場(chǎng)規(guī)模為258億元，2014-2018年CAGR 為17.1%，其預(yù)計(jì)到2023年，規(guī)?？蛇_(dá)505億元，2019-2023年CAGR達(dá)14.2%，增速遠(yuǎn)超全球市場(chǎng)潛力巨大。
隨著骨科植入耗材市場(chǎng)的快速發(fā)展，3D打印骨科植入物的商業(yè)化開始邁步加速跑。3D打印技術(shù)作為骨科植入物創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力之一，將幫助深耕增材制造領(lǐng)域的企業(yè)建立起起競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
在3D打印醫(yī)療植入物這個(gè)領(lǐng)域，有不同的材料可以選擇，代表性的材料包括鈦合金、鉭合金、鎂合金等。與傳統(tǒng)鈦合金骨科植入物材料相比，鉭金屬在生物活性和耐磨性上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。鉭合金具有良好的生物相容性、高耐腐蝕性、高強(qiáng)度和彈性模量。不過(guò)在增材制造方面，具有一定程度的挑戰(zhàn)，包括高成本和密度、應(yīng)力屏蔽問(wèn)題?？傮w來(lái)說(shuō)，鉭合金適合用作小型植入物部件、多孔植入物、用于增強(qiáng)骨整合特性的植入物涂層。
一、 多 孔 鉭
純鉭于1940年首次被應(yīng)用于骨科領(lǐng)域，至今已有80年的臨床應(yīng)用歷史，成為了繼鈦金屬之后又一種新型生物材料，被廣泛應(yīng)用在口腔種植體植入、股骨頭壞死治療、冠狀動(dòng)脈支架植入、人工髖臼假體植入、外科手術(shù)縫合線制作等醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。大量文獻(xiàn)證實(shí)，純鉭作為人體植入物尚未發(fā)生不良反應(yīng)。純鉭與骨組織彈性模量相差較大，不利于骨結(jié)合。而多孔鉭作為新型的骨科植入材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互連通，縱橫交織。具有高孔隙率率，低彈性模量及高表面摩擦系數(shù)等物理特性。
在力學(xué)性能方面，多孔坦的特殊孔結(jié)構(gòu)使其彈性模量介于人的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨之間，特別適用于骨置換，關(guān)節(jié)置換和人體組織填充?？稍谔峁┝W(xué)強(qiáng)度的同時(shí)減少應(yīng)力遮擋，利于應(yīng)力傳導(dǎo)，便于骨骼塑形，又兼具有優(yōu)良的骨誘導(dǎo)性，廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域，并取得了理想療效。與其他多孔材料相比，多孔鉭的摩擦系數(shù)相對(duì)于松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨分別是0.80和0.74，與骨組織之間的摩擦系數(shù)要比傳統(tǒng)金屬材料高40%~80%。這有助于與宿主骨界面結(jié)合，增強(qiáng)植入初期的穩(wěn)定性。
與傳統(tǒng)的醫(yī)用金屬材料不同，生物組織在植入一段時(shí)間后會(huì)在鉭上生長(zhǎng)，就像在真實(shí)骨骼上生長(zhǎng)一樣。因此鉭也被稱為“親金屬”，具有良好的生物相容性。并且，鉭金屬本身具有良好的骨生物活性和穩(wěn)定的生物惰性，這使它與骨之間形成強(qiáng)有力的骨界面整合。
二、 多孔鉭的臨床應(yīng)用
在臨床應(yīng)用中，可采取中小尺寸修復(fù)產(chǎn)品全部應(yīng)用多孔鉭打印。大尺寸修復(fù)產(chǎn)品，考慮到純鉭的密度高，打印的植入假體過(guò)重，可采用多組分梯度打印，在骨長(zhǎng)入?yún)^(qū)域采用多孔鉭，其他區(qū)域可以選用價(jià)格便宜、質(zhì)量較輕的鈦合金等其他金屬。已有多項(xiàng)臨床試驗(yàn)結(jié)果證明醫(yī)用鉭與鈦等金屬相結(jié)合制成的新型植入體可彌補(bǔ)其他金屬材料在生物相容性、生物活性及種植體-骨性結(jié)合等方面所存在的不足。
多孔鉭最早由美國(guó)新澤西州的Implex公司開發(fā)，商品名Hedrocel。1997年，美國(guó)FDA批準(zhǔn)多孔鉭用于人工髖臼假體。2003年Implex被Zimmer公司收購(gòu)，并將Hedrocel更名為Trabecular MetalTM（骨小梁金屬），之后該產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于初次關(guān)節(jié)置換和翻修關(guān)節(jié)置換手術(shù)、腫瘤重建手術(shù)、脊柱融合、股骨頭壞死以及足踝手術(shù)中。Zimmer產(chǎn)品已臨床應(yīng)用近20年，深受醫(yī)生和患者認(rèn)可，市場(chǎng)份額逐年提升。
Zimmer的宏觀多孔結(jié)構(gòu)由網(wǎng)狀玻璃碳支架構(gòu)成，鉭金屬在支架表面通過(guò)化學(xué)氣相沉積/滲透（CVD/CVI）的方式覆蓋。純鉭做為原料，使用化學(xué)氣相沉積方法，與Cl2發(fā)生反應(yīng)，生成氣態(tài)TaCl5，再使用H2將TaCl5中的Ta還原出來(lái)并沉積到碳骨架上，形成類似松質(zhì)骨的獨(dú)特多孔結(jié)構(gòu)。CVD制備的多孔鉭具有海綿狀的多孔結(jié)構(gòu)、縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格以及分布整體的孔道，網(wǎng)格呈多重十二面體結(jié)構(gòu)，孔徑大小為400-600 μm，孔隙率為75-85%，鉭層厚度為40-60 μm，可通過(guò)調(diào)節(jié)鉭層厚度來(lái)調(diào)整多孔鉭的機(jī)械性能。
多孔鉭雖為理想的骨科植入材料。但由于人體的差異性、骨缺損部位形態(tài)的隨機(jī)性，如骨腫瘤患者、骨畸形患者等，標(biāo)準(zhǔn)化多孔鉭已經(jīng)不能滿足患者個(gè)性化治療要求。從臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展趨勢(shì)看，最好的治療方法應(yīng)該是個(gè)性化治療，最好的植入體應(yīng)該是個(gè)性化植入體。隨著3D打印技術(shù)成熟，國(guó)家大力提倡精準(zhǔn)醫(yī)療，傳統(tǒng)工藝無(wú)法做到個(gè)性化，3D打印既可以做個(gè)性化也可以做批量生產(chǎn)。同時(shí)為了打破壟斷，國(guó)家在2016年底，設(shè)立了3D打印多孔鉭重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)，鼓勵(lì)創(chuàng)新。
國(guó)內(nèi)近些年對(duì)3D打印多孔鉭金屬的研究也有了突破性發(fā)展，國(guó)內(nèi)代表性的企業(yè)團(tuán)隊(duì)也獲得了較大成果，并將成果進(jìn)行了初步的臨床轉(zhuǎn)化，未來(lái)經(jīng)過(guò)更多的努力，將最終受益廣大國(guó)內(nèi)患者。
2021年7月，在陜西省重大智能制造專項(xiàng)的支持下，空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院骨科首次將鉭金屬3D打印的長(zhǎng)節(jié)段人工椎體，運(yùn)用于脊柱惡性腫瘤整塊切除后的缺損重建。
大洲醫(yī)學(xué)也于2021年率先完成激光熔融3D打印仿生骨小梁多孔鉭椎間融合器臨床前生物相容性評(píng)價(jià)和全球首例/唯一科研人體植入試驗(yàn)（隨訪1年）。
多孔鉭椎間融合器和人工椎體應(yīng)用于臨床治療頸椎病、脊椎退行性病變和脊柱創(chuàng)傷已有超過(guò)10年歷史，整體療效和融合率顯著優(yōu)于鈦合金和PEEK等傳統(tǒng)材料。目前市場(chǎng)上銷售的只有美國(guó)捷邁邦美生產(chǎn)的化學(xué)氣相沉積多孔鉭融合器和人工椎體，全球壟斷，價(jià)格居高不下，導(dǎo)致該系列產(chǎn)品“高端化”和“貴族化”。大洲醫(yī)學(xué)打破多孔鉭融合器進(jìn)口產(chǎn)品壟斷，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，并且性價(jià)比大幅提高。
三、國(guó)內(nèi)首款鉭金屬3D打印椎間融合器獲批上市
近日，3D打印骨科植入物領(lǐng)域傳來(lái)好消息。華曙助力國(guó)內(nèi)首款鉭金屬3D打印椎間融合器產(chǎn)品獲批上市。繼國(guó)內(nèi)首批獲得三類醫(yī)療器械許可證的金屬3D打印鈦合金骨科植入物——多孔型椎體融合器、多孔型椎間融合器上市之后，由湖南華銳科技集團(tuán)股份有限公司旗下——湖南華翔醫(yī)療科技有限公司（曾用名：湖南華翔增量制造股份有限公司），采用華曙高科金屬3D打印解決方案，研發(fā)的鉭金屬3D打印椎間融合器，于2023年1月獲得首張以鉭金屬粉末為材料的仿生骨小梁結(jié)構(gòu)增材制造椎間融合器三類醫(yī)療器械注冊(cè)證。
鉭金屬增材制造椎間融合器是湖南華翔與華曙高科聯(lián)合開發(fā)的醫(yī)用級(jí)3D打印解決方案的產(chǎn)品之一。該解決方案包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、3D打印設(shè)備、打印材料、打印工藝，以及產(chǎn)品檢測(cè)和無(wú)菌生產(chǎn)等全套流程，核心技術(shù)已申請(qǐng)專利，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
鉭屬于難熔金屬，熔點(diǎn)接近3000℃，此材料的成形對(duì)設(shè)備的光斑質(zhì)量提出較高要求，需要穩(wěn)定的能量輸出。鉭在成形過(guò)程中，因?yàn)槌尚螒?yīng)力大，零件易開裂，需要優(yōu)化成形工藝來(lái)避免此類問(wèn)題。早在2016年，華曙高科3D打印研發(fā)團(tuán)隊(duì)便基于深度開源平臺(tái)，秉承持續(xù)創(chuàng)新理念，攻克了鎢、鉭、鈦合金、銅合金、高溫合金等多種金屬粉末材料激光精密成形的種種難點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)率先成功燒結(jié)鎢、鉭等材料的3D打印企業(yè)，并將其廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。
華翔醫(yī)療首款鉭金屬增材制造椎間融合器醫(yī)療器械注冊(cè)證的獲批，標(biāo)志著多孔鉭金屬植入醫(yī)療器械已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化突破，填補(bǔ)了多孔鉭材料增材制造領(lǐng)域市場(chǎng)空白，這充分體現(xiàn)了華翔醫(yī)療與華曙高科在創(chuàng)新醫(yī)療器械與增材制造領(lǐng)域的科研創(chuàng)新能力。
這是我國(guó)醫(yī)療領(lǐng)域重要技術(shù)突破，為鉭金屬增材制造領(lǐng)域里程碑事件，將引領(lǐng)行業(yè)快速發(fā)展和進(jìn)步。不久的將來(lái)，定會(huì)涌現(xiàn)出更多優(yōu)質(zhì)創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)，為精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化醫(yī)療、高端醫(yī)療發(fā)展貢獻(xiàn)民族力量。
四、鉭金屬材料增材制造椎間融合器技術(shù)優(yōu)勢(shì)
1、鉭作為“親生物”金屬，具有良好的耐腐蝕性和生物相容性，其對(duì)骨組織的親和力突出，骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)能力優(yōu)異，促進(jìn)骨長(zhǎng)入和骨融合；
2、三維貫通仿生骨小梁微孔結(jié)構(gòu)，有利于骨融合和血管化；孔隙率高達(dá)68%-78%，促進(jìn)骨長(zhǎng)入和血管形成，提高融合率；
3、彈性模量與人體松質(zhì)骨和骨小梁接近，生物力學(xué)適配度高，減少應(yīng)力遮擋；
4、解剖形態(tài)匹配度高，微米級(jí)及納米級(jí)的表面粗糙度，與人體骨骼摩擦系數(shù)高，有利于提高融合率和穩(wěn)定性，抗下沉能力突出；
5、優(yōu)秀的承重能力，可實(shí)現(xiàn)即刻負(fù)重；高韌性和高塑性，抗疲勞性能優(yōu)異。
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