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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Migliora l'efficacia a-lungo termine
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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
I grandi difetti ossei segmentali dovuti a traumi, infezioni o resezioni tumorali sono sempre stati un problema clinico impegnativo. Circa il 5% -10% delle fratture presenta un'unione o una pseudoartrosi ritardata e quasi tutta la perdita ossea segmentale provoca una pseudoartrosi. In tutto il mondo, ogni anno vengono eseguiti oltre 2,2 milioni di innesti ossei per il trattamento di difetti ossei in ortopedia, neurochirurgia e odontoiatria.
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.
Tuttavia, la pratica clinica mostra che questi trattamenti non sono ideali e talvolta addirittura inaffidabili. Il trasporto osseo attraverso la procedura di Ilizarov richiede in genere diversi mesi per guarire, durante i quali il paziente non è in grado di muoversi normalmente. È ancora meno probabile che questo metodo venga utilizzato per il trattamento di difetti scheletrici multi-segmentali della colonna vertebrale. La tecnica Masquelet e il metodo di innesto osseo corticale vascolarizzato autologo aiutano a migliorare la fusione ossea, ma è difficile ottenere una stabilizzazione postoperatoria immediata. A causa della necessità di una grande quantità di osso allogenico/autologo come materiale da innesto osseo, spesso è necessaria un'ulteriore rimozione chirurgica dell'osso (come la rimozione dell'osso iliaco). Il metodo per impiantare la rete in titanio nell'area del difetto osseo offre comodità per l'applicazione di vari materiali da innesto in una certa misura, ma il suo effetto di fissazione è limitato e presenta anche gli svantaggi di un facile allentamento, cedimento o spostamento. In effetti, tecniche come Ilizarov e Masquelet sono anche difficili da applicare in alcuni siti di dissociazione, come la metafisi.
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.
block 3D stampa impianti porosi in titanio
"Implant-bone" interface fusion
Rispetto ai metodi sopra{0}}menzionati che richiedono una grande quantità di riempimento osseo allogenico/autologo, l'applicazione di impianti in lega di titanio poroso stampati in 3D-per riparare e ricostruire i difetti ossei sembra avere evidenti vantaggi. In primo luogo, gli impianti possono essere personalizzati con precisione in base alla forma del difetto osseo, senza necessità di innesto osseo; inoltre, in base ai vantaggi della protesi metallica, è possibile progettare un dispositivo di fissaggio per ottenere una stabilizzazione immediata tra l'impianto e le ossa adiacenti, in modo che il paziente possa alzarsi dal letto presto dopo l'intervento chirurgico; Caratteristiche strutturali porose, che attirano il tessuto osseo adiacente affinché cresca al suo interno e, infine, raggiungano la fusione permanente dell'interfaccia ossea dell'impianto-.
Figura 1. Analisi radiologica e biomeccanica di impianti porosi Ti6A14V stampati in 3D per ricostruire un difetto femorale di 4 cm. (A) Immagini a raggi X-a 1, 3 e 6 mesi dopo l'impianto (i-iii) Immagini di tomografia computerizzata a 1, 3 e 6 mesi dopo l'impianto (iv-vi) . Le frecce blu indicano l'osso di nuova formazione nel sito del difetto o sulla superficie esterna dell'impianto. (vii) Punteggio radiologico di ciascun gruppo. (n=4) (B) Immagini di ricostruzione 3D MicroCT (i-iii) dei gruppi 1, 3 e 6 mesi dopo il sacrificio (il grigio indica la lega di titanio, il verde indica il nuovo osso). (iv) Risultati quantitativi della frazione di volume osseo nelle regioni peri-dell'impianto e in{21}}forame di ciascun gruppo (n=4).
Tuttavia, l'effetto terapeutico clinico dell'utilizzo di impianti porosi stampati in 3D per riparare i difetti ossei (in particolare i difetti ossei del segmento-di grandi dimensioni) richiede non solo la conferma dei risultati dell'osservazione dei casi di follow-, ma anche il risultati di importanti studi sperimentali sugli animali come prova. A tal fine, il team di ricerca ha condotto-esplorazioni e ricerche approfondite e sistematiche.
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.
Figura 5. Impianto poroso Ti6Al4V stampato in 3D- per ricostruire il difetto femorale (caso 2). X del difetto femorale ricostruito di 11 cm immediatamente dopo l'ultimo intervento chirurgico (A) e 2 (B), 5 mesi (C), 8 mesi (D), 14 mesi (E) e 20 mesi (F) dopo l'immagine della linea di impianto. Le frecce blu indicano l'osteointegrazione tra impianto e osso ospite.
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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