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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Verbessern Sie die frühe und langfristige- Wirksamkeit
Zugehörige Forschungsarbeiten, die in der Zeitschrift Bioactive Materials veröffentlicht wurden
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
Große segmentale Knochendefekte aufgrund von Trauma, Infektion oder Tumorresektion waren schon immer ein herausforderndes klinisches Problem. Bei etwa 5 bis 10 Prozent der Frakturen kommt es zu einer verzögerten Heilung oder Pseudarthrose, und fast jeder segmentale Knochenverlust führt zu einer Pseudarthrose. Weltweit werden jährlich mehr als 2,2 Millionen Knochentransplantationen durchgeführt, um Knochendefekte in der Orthopädie, Neurochirurgie und Zahnmedizin zu behandeln.
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.
Die klinische Praxis zeigt jedoch, dass diese Behandlungen nicht ideal und manchmal sogar unzuverlässig sind. Der Knochentransport durch das Ilizarov-Verfahren dauert normalerweise mehrere Monate, um zu heilen, während dieser Zeit kann sich der Patient nicht normal bewegen. Noch seltener wird diese Methode zur Behandlung von multi-skelettalen Defekten der Wirbelsäule eingesetzt. Die Masquelet-Technik und die Methode der autologen vaskularisierten kortikalen Knochentransplantation helfen, die Knochenfusion zu verbessern, aber es ist schwierig, eine sofortige postoperative Stabilisierung zu erreichen. Aufgrund der Notwendigkeit einer großen Menge an allogenem/autologem Knochen als Knochentransplantatmaterial ist häufig eine zusätzliche chirurgische Knochenentfernung (z. B. Beckenknochenentfernung) erforderlich. Das Verfahren zum Implantieren des Titannetzes in den Knochendefektbereich bietet bis zu einem gewissen Grad Bequemlichkeit für die Anwendung verschiedener Transplantatmaterialien, aber seine Fixierungswirkung ist begrenzt, und es hat auch die Nachteile einer leichten Lockerung, Senkung oder Verschiebung. Tatsächlich sind Techniken wie Ilizarov und Masquelet auch an bestimmten Dissoziationsstellen, wie der Metaphyse, schwierig anzuwenden.
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 druckt poröse Titanimplantate
"Implant-bone" interface fusion
Verglichen mit den oben-erwähnten Methoden, die eine große Menge an allogener/autologer Knochenfüllung erfordern, scheint die Anwendung von 3D-gedruckten Implantaten aus poröser Titanlegierung zur Reparatur und Rekonstruktion von Knochendefekten offensichtliche Vorteile zu haben. Erstens können die Implantate genau an die Form des Knochendefekts angepasst werden, ohne dass ein Knochentransplantat erforderlich ist; zusätzlich kann gemäß den Vorteilen von Metallprothesen eine Fixierungsvorrichtung entworfen werden, um eine sofortige Stabilisierung zwischen dem Implantat und angrenzenden Knochen zu erreichen, so dass der Patient nach der Operation früh aus dem Bett aufstehen kann; Poröse Strukturmerkmale, die benachbartes Knochengewebe zum Einwachsen anziehen und schließlich eine dauerhafte Fusion der Implantat--Knochen-Grenzfläche erreichen.
Abbildung 1. Radiologische und biomechanische Analyse von 3D-gedruckten porösen Ti6A14V-Implantaten zur Rekonstruktion eines 4-cm-Femurdefekts. (A) Röntgenbilder 1, 3 und 6 Monate nach Implantation (i-iii) Computertomographiebilder 1, 3 und 6 Monate nach Implantation (iv-vi) . Blaue Pfeile zeigen neu gebildeten Knochen an der Defektstelle oder an der Außenfläche des Implantats an. (vii) Radiologische Bewertung jeder Gruppe. (n=4) (B) MicroCT 3D-Rekonstruktionsbilder (i-iii) der Gruppen 1, 3 und 6 Monate nach der Tötung (grau zeigt Titanlegierung an, grün zeigt neuen Knochen an). (iv) Quantitative Ergebnisse der Knochenvolumenfraktion in den peri- und in-Foramregionen jeder Gruppe (n=4).
Die klinisch-therapeutische Wirkung der Verwendung von 3D-gedruckten porösen Implantaten zur Reparatur von Knochendefekten (insbesondere groß-segmentale Knochendefekte) erfordert jedoch nicht nur die Bestätigung der Beobachtungsergebnisse von Nachsorgefällen, sondern auch die Ergebnisse relevanter tierexperimenteller Studien als Nachweis. Zu diesem Zweck führte das Forschungsteam gründliche und systematische Untersuchungen und Untersuchungen durch.-
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.
Abbildung 5. 3D--gedrucktes poröses Ti6Al4V-Implantat zur Rekonstruktion eines femoralen Defekts (Fall 2). X des rekonstruierten 11-cm-Femurdefekts unmittelbar nach der letzten Operation (A) und 2 (B), 5 Monate (C), 8 Monate (D), 14 Monate (E) und 20 Monate (F) nach Implantationslinienbild. Blaue Pfeile zeigen die Osseointegration zwischen Implantat und Wirtsknochen an.
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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