我國每年約有不少于300萬例的醫(yī)療人體骨骼植入，每例價格達(dá)數(shù)萬乃至十多萬元。據(jù)南方醫(yī)藥經(jīng)濟研究所數(shù)據(jù)，2018年國內(nèi)骨科植入耗材市場規(guī)模為258億元，2014-2018年CAGR 為17.1%，其預(yù)計到2023年，規(guī)?？蛇_(dá)505億元，2019-2023年CAGR達(dá)14.2%，增速遠(yuǎn)超全球市場潛力巨大。
隨著骨科植入耗材市場的快速發(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)動力之一，將幫助深耕增材制造領(lǐng)域的企業(yè)建立起起競爭優(yōu)勢。
在3D打印醫(yī)療植入物這個領(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。鉭合金具有良好的生物相容性、高耐腐蝕性、高強度和彈性模量。不過在增材制造方面，具有一定程度的挑戰(zhàn)，包括高成本和密度、應(yīng)力屏蔽問題?？傮w來說，鉭合金適合用作小型植入物部件、多孔植入物、用于增強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。大量文獻證實，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)強度的同時減少應(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間后會在鉭上生長，就像在真實骨骼上生長一樣。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，打印的植入假體過重，可采用多組分梯度打印，在骨長入?yún)^(qū)域采用多孔鉭，其他區(qū)域可以選用價格便宜、質(zhì)量較輕的鈦合金等其他金屬。已有多項臨床試驗結(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。
多孔鉭最早由美國新澤西州的Implex公司開發(fā)，商品名Hedrocel。1997年，美國FDA批準(zhǔn)多孔鉭用于人工髖臼假體。2003年Implex被Zimmer公司收購，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還原出來并沉積到碳骨架上，形成類似松質(zhì)骨的獨特多孔結(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，可通過調(diào)節(jié)鉭層厚度來調(diào)整多孔鉭的機械性能。
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)不能滿足患者個性化治療要求。從臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展趨勢看，最好的治療方法應(yīng)該是個性化治療，最好的植入體應(yīng)該是個性化植入體。隨著3D打印技術(shù)成熟，國家大力提倡精準(zhǔn)醫(yī)療，傳統(tǒng)工藝無法做到個性化，3D打印既可以做個性化也可以做批量生產(chǎn)。同時為了打破壟斷，國家在2016年底，設(shè)立了3D打印多孔鉭重點研發(fā)專項，鼓勵創(chuàng)新。
國內(nèi)近些年對3D打印多孔鉭金屬的研究也有了突破性發(fā)展，國內(nèi)代表性的企業(yè)團隊也獲得了較大成果，并將成果進行了初步的臨床轉(zhuǎn)化，未來經(jīng)過更多的努力，將最終受益廣大國內(nèi)患者。
2021年7月，在陜西省重大智能制造專項的支持下，空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院骨科首次將鉭金屬3D打印的長節(jié)段人工椎體，運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價和全球首例/唯一科研人體植入試驗（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。目前市場上銷售的只有美國捷邁邦美生產(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口產(chǎn)品壟斷，實現(xiàn)國產(chǎn)替代，并且性價比大幅提高。
三、國內(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)域傳來好消息。華曙助力國內(nèi)首款鉭金屬3D打印椎間融合器產(chǎn)品獲批上市。繼國內(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、3D打印設(shè)備、打印材料、打印工藝，以及產(chǎn)品檢測和無菌生產(chǎn)等全套流程，核心技術(shù)已申請專利，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。
鉭屬于難熔金屬，熔點接近3000℃，此材料的成形對設(shè)備的光斑質(zhì)量提出較高要求，需要穩(wěn)定的能量輸出。鉭在成形過程中，因為成形應(yīng)力大，零件易開裂，需要優(yōu)化成形工藝來避免此類問題。早在2016年，華曙高科3D打印研發(fā)團隊便基于深度開源平臺，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，成為國內(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)療器械注冊證的獲批，標(biāo)志著多孔鉭金屬植入醫(yī)療器械已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化突破，填補了多孔鉭材料增材制造領(lǐng)域市場空白，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)展和進步。不久的將來，定會涌現(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、個性化醫(yī)療、高端醫(yī)療發(fā)展貢獻民族力量。
四、鉭金屬材料增材制造椎間融合器技術(shù)優(yōu)勢
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，促進骨長入和骨融合；
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%，促進骨長入和血管形成，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，微米級及納米級的表面粗糙度，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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