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华西医院骨科屠重棋教授:3D打印与工匠精神

2020-06-23 10:37
动脉网
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提到华西医院,你会想到什么?是新冠疫情中的重症天团,还是医、教、研能力三头并重的强劲实力。

虽然大多数人都知道华西医院是国内最顶尖的医院之一,但或许很少人会知道华西医院骨科其实还是世界领先的3D打印骨科应用高地,华西医院骨科3D打印植入无论是在手术布局、材料选择,还是结构、界面精准设计和承重等关键技术方面,都处于国际领先水平。

而这些成绩都离不开华西医院骨科-骨与软组织肿瘤中心学术带头人-屠重棋教授。从1986年山东医科大学毕业以来,在华西医院工作的34年里,屠教授创造了多个世界第一。

2015年屠教授团队完成世界首例“3D打印保留膝关节胫骨干金属骨小梁假体重建术”。

2019年,屠重棋团队和张兴栋院士团队强强联合在Science Advances发表论文,率先发现一种不但能够抑制肿瘤细胞增殖,而且可以促进成骨细胞生长的新材料,具备作为骨肿瘤切除后大段骨缺损修复的潜能替代材料。

2020年,屠重棋团队所在四川省医学3D打印创新工作室在国际顶级骨科期刊CORR首次发表关于“3D打印一体化半骨盆设计、制造、应用、疗效和评估”的学术论文。

……

在长期的临床工作中,屠重棋教授把“手术”作为“艺术品”的工匠精神贯彻始终,这种精神足以丈量3D打印这项技术在国内骨科应用的历史。

作为这项技术在国内骨科应用的重要探索者和发展见证者,屠教授最不希望看到这项对患者极有价值的新技术沦为概念炒作,更不希望手术者不亲自参与“假体设计、制造、验收、手术、随访评估”等流程而就将3D产品用于临床。

在全球3D打印高地,屠重棋教授如何看待3D打印在骨科应用的前景与瓶颈?动脉网专访了四川大学华西医院骨与软组织肿瘤中心主任,四川省医学3D打印创新工作室主任,四川省卫生厅学术技术带头人屠重棋教授。

5年完成超过200台3D打印植入手术,骨科为什么绕不开3D打印 ?

专业领域成就的名誉并没有给屠教授带来距离感,在34年的医疗工作生涯中,屠教授因为平易近人和接地气,被送外号“屠婆婆”。倘若你和屠教授有过交谈,你会发现他身上有着山东人特有的随和、坚毅、正义和担当。

在屠教授看来,3D打印并不是什么横空出世的黑科技,在国外已有30多年的研发、应用历史了。19年前他首次接触3D打印概念的时候,这个名词尚未在国内诞生,还被称为快速成型技术。

早在2001年,屠重棋教授就和清华大学进行快速成型课题研究,当时骨科应用主要在模具、教学模型等体外应用方面。2013年以来经过前期大量的动物实验,直到2015年屠教授才尝试开展3D打印金属植入物植入人体研究。在当时,无论是这项决定还是手术本身,都极具有挑战性。

屠教授还记得2015年第一位植入3D打印钛金属假体的患者,那是一位年仅15岁的骨肉瘤病人,切除肿瘤后采用同种异体骨移植重建胫骨骨缺损,并保留住了膝关节。然而,他腿中移植的异体骨发生了慢性排斥反应,虽然经历了漫长的3年8次手术保住了肢体,但患者由于小腿骨大段的骨缺损而无法行走。

屠教授考虑到,如果继续采用传统的治疗方法:人工肿瘤膝关节置换术,患者就要牺牲自身膝关节,10年假体失败率约20-40%,远期效果差。为此团队为这名患者量身设计制定了“3D打印保留膝关节胫骨干骨小梁金属假体置换”的治疗方案。

患者的父母恰好是高级工程师,对于这种前沿性解决方案极为认可。屠教授也对这位患者进行持续随访,5年过去了,他已经大学毕业服务社会,功能与正常人没有区别。

“当年的少年已经长大成人,而他体内的3D打印植入物也生长良好。”

迄今为止,华西医院骨肿瘤中心已经完成超过200多例3D打印骨科植入物手术。屠教授认为医生完成植入手术只是医疗工作的开始,要保证植入物在患者体内长期生存使用才是手术的终极目的。长期以来的工匠精神,屠教授团队对3D打印植入患者进行全程随访,目前手术患者均获得满意疗效。

华西医院骨科每年要完成的骨科手术量约14000例,3D打印手术并不是其中开展类型最多的手术,且开展难度较大,但屠教授依然坚持深耕、攻破这项新技术。

在20年前选择骨科亚专业时,屠重棋教授就选择了涉及领域多、难度大的骨肿瘤专业。以骨肉瘤为代表的恶性骨肿瘤横跨了罕见病和恶性肿瘤的两个高难度领域,涉及的相关专业有肿瘤学、骨科学、病理学、放射学等八个专业。虽然难,但骨肿瘤患者青少年居多,疾病负担严重,屠教授认为医者应有为患者担当的决心和责任心。

屠教授选择研究3D打印技术同样是因为看到了它在骨科应用的价值,对某些疑难病例来说,它能够到达现有技术无法达到的禁区。

在外形上,3D打印能够制造出传统方式制造不出的骨关节的仿生形态;在结构上,3D打印界面具有仿生骨小梁网孔结构,孔径/孔隙率通过特定设计可以诱导促进骨生长,让自体骨与植入物快速整合。在强度和稳定性上,3D打印植入物具有良好的初始稳定性和生物力学性能,更符合临床相关要求。

屠教授直言,现在大家对创新的理解有偏差。简单的来说,创新主要包括两个方面,即人无我有,人有我精。首先,创新技术要解决常规技术解决不了的关键问题;其次,它要比常规技术更精、更快、更好。而不是与常规技术不同、不做印证就被认为是创新了。

在以往,恶性骨肿瘤患者大多需要进行高位截肢,而随着“新辅助化疗+手术+术后化疗”模式的发展完善,目前这类患者有机会得以保留肢体及功能。而3D打印生物型金属假体重建是保肢、保关节的一种重要手段。在植入生物型假体个体化3D设计、打印、植入、随访和评估一体化流程中,屠教授团队是目前全世界实施最多类型的单体3D打印团队。

骨科3D打印植入手术是全球医学领域应用最早、研究最成熟的领域,而骨肿瘤切除的骨头常常是不规则的,所以3D打印金属假体植入手术最先应用在骨肿瘤专业,可以提供优良的个体化仿生植入物,实属外科精准治疗。其次是人工关节置换术失效后翻修术,因为骨缺损巨大,需要3D打印精准匹配重建,亦属外科精准治疗。再次是脊柱退变需锥体间融合的患者,可以采用3D打印椎间融合器,以增加脊柱融合率,这类产品可以批量生产,目前国内外已经上市。

“3D打印的特点在于,它不仅能够自定义外形,也可以自定义结构。在临床应用中,我们通过精密的CT和MRI数据找到患者自身骨头的多模态形态、结构特点,哪些是实的?哪些是中空的?计算机设计、模拟,计算出假体与骨的适配性和力学性能,最后利用3D打印生产出类似的形态结构。在强度上,也可以根据病人的体重、活动量进行定制。”

自2013年起,屠教授团队与张兴栋院士团队强强联合,深入研究3D打印骨科硬组织修复材料并取得可喜成绩。2015年以来先后又与北京春立正达有限公司和北京中诺恒康生物科技有限公司合作,获得唯一一个“四川省医学3D打印创新工作室”,为200多例骨肿瘤患者实施3D打印金属植入手术,手术量和临床效果在全世界都处于领先水平。

社会环境浮躁,不应该沦为概念炒作

“3D打印在临床应用中,需要精雕细琢的工匠精神才能成为钻石,应谢绝只是把这项技术作为光彩照人一块垫脚石。我国在3D打印机和打印材料研发、产品设计制造及临床应用等方面还任重而道远”。

首先是打印机器和打印材料的问题。“发达国家从1890s就开始研究这项技术,近35年发展迅速,所以它们沉淀了几十年的技术优势。目前我国使用的医学金属3D打印机、生物3D打印机及其打印材料几乎都是来自欧美发达国家,在此方面我们几乎没有原研产品,只在尼龙或树脂等打印机和材料方面可自给自足。在技术上的落后和短板限制了我国3D打印临床应用的发展。”

其次是优秀的3D打印数字工程师缺少。“虽然我国在近5-10年间也培养了大批的数字影像工程师,但目前仅能满足临床的基本需求,主要原因是缺乏临床医疗的相关知识。”

第三个是医工结合的难点问题。“3D打印在骨科临床应用所需要的是骨科高级别医生,不仅要熟练掌握临床专业知识和技能,同时还能够熟悉数字化影像学、材料学、工程学和生物力学等相关知识,目前此类医生太少。”

“比如当骨头缺损时,医生按照原有的骨头样式补上去是不行的。因为骨头的强度不同,它对于植入物的强度和结构要求也不同。如何设计最佳的植入物,就需要临床专家与材料专家和生物力学专家等多行业多专业讨论,其中涉及到材料属性和表征、生物力学、界面力学等广泛的知识面。所以,医工结合看似简单,但真正实现比较困难。医工结合的优秀人才是非常短缺,需要将物理学、生物力学、材料学、制造学和临床医学等方面有机的结合起来,才能保证最后制造出的骨科植入物符合国人的要求,这实际上是很难的。近年来,我们也一直朝着这个方面努力着,这个过程是非常艰辛的。”

第四个难点是生产工艺的精准、稳定和行业评价体系的建立。首先是需要供应商保证产品的精准性,3D打印金属植入物对于材料和制造工艺要求很高,需要很高的精准度。屠教授认为植入物的精准度需要第三方严格评估,量化评估3D打印骨小梁的形态、孔隙率、孔径、强度等指标;其次是对成品的后处理进行考量评估;目前国家有关部门极为重视并陆续分批公布相关的行业标准。

在屠教授看来,3D打印应用于骨科并非是什么黑科技,任何新奇的光环无法避免最后它需要植入体内的本质,3D打印也只是医生治疗病人的工具,而不是支配医生的工具,医生对待3D打印植入物应该慎之又慎。目前国内开展3D打印金属植入物的医院并不少,但是开展的3D打印手术水平参差不齐。“希望国产医学金属或生物3D打印机早日取代国外产品;希望3D打印植入物的各相关团队认真解决设计、打印和手术的关键技术,使这项技术真正成为临床医师斩除病魔的上帝之剑。”

作者:杨雪

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