完美(中国)体育-2025上海医疗器械展览会|增材制造个性化植入物技术发展与挑战

2025-06-16

图片来历：数字医工坊

增材制造（3D打印）技能经由过程将原质料主动累加的方式制造实体零件，比拟在传统的质料成型或者机械加工技能，是一种自下而上的质料累加制造要领，仅利用一台3D打印装备就可以制造几何外形繁杂及内部质料身分可变的产物，尤其合适单件、小批量及定制化产物的低成本制造。将来医疗产物将慢慢迈向精准化及定制化，是以，采用增材制造技能成为我国医疗器械产物向精准化、个性化成长的主要机缘。这重要表现于2个方面：①制造技能方面，我国的基础研究及技能成长与国际进步前辈程度较为靠近，涌现了一多量具备国际影响力的研究团队，各种增材制造技能设备成长较为周全；②医疗器械运用方面，受益在我国人口浩繁，为增材制造技能提供了广漠市场空间。按照原质料及产物的特性，从非生命体的构建到具备生命力活体的制造，增材制造医疗器械成长的4个层面如图1所示。第1层面是体外或者短时间接触人体构造的Ⅰ类、Ⅱ类医疗器械，例如手术导航模板、医疗模子、假肢矫形器等；第2层面是惰性质料的硬构造替换物，包括骨、枢纽关头和口腔等部位的替换物；第3层面因此构造工程支架为代表的可降解医疗器械，这种器械经由过程于引诱人体自体构造生长的同时自身逐渐降解，终极实现无异物的人体构造修复；第4层面则是活性构造的直接制造，也被称作细胞打印，将细胞及生物因子等具备生命活气的质料作为原质料，经由过程3D打印技能制造活性构造或者器官。

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2025上海医疗器械博览会指出，今朝，第1层面3D打印医疗器械的技能门坎及利用危害较低，第4层面的活性构造3D打印还有处于前沿摸索阶段，第二、第3层面的惰性硬构造替换物及可降解植入物是3D打印医疗器械研发、财产转化及羁系研究的重点。本研究就今朝医用3D打印范畴中财产转化远景凸起的不成降解金属骨植入物、不成降解聚合物骨植入物及可降解植入物的成长举行综述，以期为相干产物的研究及尺度化成长提供参考。1    不成降解金属骨植入物

1.1    成长近况

金属骨植入物是今朝3D打印医疗器械财产界成长最快的范畴之一，跟着金属3D打印技能的快速成长，金属质料被广泛用在硬构造替换物的3D打印，此中钛系、钴铬钼系、钽系合金因为其良好的生物相容性、耐蚀性、抗疲惫性及磨擦磨损机能，得到了广泛的运用。西安交通年夜学结合原第四军医年夜学率先实现了3D打印个性化下颌骨金属植入物的临床运用，2015年我国核准了首个3D打印非个性化的髋臼杯假体，2018年核准了首个3D打印的个性化下颌骨植入物。金属3D打印骨植入物不仅可以或许于外不雅上与受损骨骼的剖解形态切确对于应，并且其制造技能还有能构建直径达数百微米的邃密可控微孔布局。这些微孔布局不仅为骨构造长入假体内部提供了空间，还有能有用防止金属假体孕育发生的应力屏蔽效应。是以，今朝进入临床研究及市场的金属3D打印骨植入物一般都具备多孔布局，例如3D打印髋臼杯、椎间交融器、脊柱替换物、股骨头填充棒及髋臼修复假体等。3D打印金属多孔骨植入物如图2所示。

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1.2    难点与挑战

金属3D打印骨植入物于多孔布局方面的上风给其设计带来了巨年夜挑战：多孔布局的设计显著影响骨植入物的力学机能和其植入后的骨重修举动，对于骨植入物的机能及功效都有显著影响。于金属3D打印粉末原质料及制造工艺成长成熟的配景下，骨植入物的个性化设计尤为主要。3D打印骨植入物广泛用在人体各个部位骨骼的修复及重修。SUN等提出了3D打印多孔骨植入物的共性设计准则，包括强度准则、初期不变准则及远期不变准则，别离对于应多孔骨植入物于临床中的力学安全性、术后即刻固定有用性及持久服役历程中的不变性。于强度准则中，他们提出借鉴工程范畴安全系数的观点来权衡骨植入物的安全性，即界说骨植入物的安全系数为质料的屈就强度与骨植入物于人体内所受最年夜应力的比值，如式所示，用以定量评估设计成果的安全系数。

式中，N为骨植入物的安全系数；σs为质料的粉碎应力，凡是为屈就强度；σmax为骨植入物于服役情况中的最年夜应力。安全系数N理论上必需年夜在1，且于设计实践中必需留出安全裕量，是以额定安全系数的选择须思量骨植入物的服役情况、预期服役时限、力学掉效危害等诸多因素。初期的不变准则中提出了经由过程骨及植入物界面的相对于微动定量评价植入物于人体内初期不变性的道理，过多的微动会造成骨/假体界面上形成纤维构造，甚至粉碎界面，而于必然阈值内的骨/假体界面微动则可以或许成为刺激界面上骨生长的激励因素，有助在形成不变的骨/假体生物固定。一般认为，20~50 μm的微动可以或许对于骨/假体界面整合有促成作用， 50~100 μm的微动可能会对于界面交融孕育发生倒霉影响，但年夜在150 μm的微动会粉碎骨假体界面愈合。于远期不变准则中，周围骨构造的重修影响骨构造向多孔布局中的内向生长以和周围骨向植入物提供的不变骨性支撑。按照Wolff定律，骨构造具备感知载荷变化，动态调解骨接收及骨形成的能力，于此基础上成长出来的功效性顺应理论认为力学刺激与骨构造之间存于一种心理均衡，于必然的刺激规模内，骨的生长与接收历程彼此均衡，年夜在该规模则引起骨量增长，小在该规模则造成骨流掉。骨重修与力学激励的瓜葛如图3所示。按照二者瓜葛提出，设计的多孔骨植入物于负担人体心理载荷时，一方面可以或许有用将应力传导至周围骨，使周围骨所受力学刺激尽可能处在可以或许促成骨生长及重修的规模内，从而保障假体可以或许得到不变的骨性支撑；另外一方面具备相宜在骨构造长入的微不雅孔隙布局设计，包括孔型、孔径、孔隙率、微杆直径等参数。

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1.3    羁系成长

以《无源植入性骨、枢纽关头和口腔硬构造个性化增材制造医疗器械注册技能审查引导原则（2019年第70号）》为代表[15]，我国药品监视治理局前后针对于3D打印髋臼杯、人工椎体、椎间交融器、下颌骨等产物出台了产物层面的注册审查引导原则，于共性机能评价方面出台了针对于理化机能均一性、等效性模子的引导原则。于个性化金属3D打印骨植入物的设计方面，因为定制式器械“并世无双”的特性，使其难以于临床运用进步行完整的机能评估测试，设计历程中所需的医工交互历程的繁杂性、临床运用的特异性等也为定制式骨植入物的设计开发及临床运用带来危害。是以，3D打印金属骨植入物范畴当前的成长重点于在成立具备通用性的设计规范及设计准则，并形成尺度规范。我国药品监视治理局于2020年发布了《个性化匹配骨植入物和东西医工交互质控审查引导原则》，对于个性化骨植入物设计开发历程中的医工交互要点举行了论述，为定制式骨植入物的设计开发提供了大纲性引导。今朝还没有有细化到骨植入物设计规范及设计准则方面的技能尺度。鉴在金属3D打印骨植入物笼罩产物种别的广泛性，与之相干的设计规范及设计准则方面的技能尺度系统成长应遵照“共性-个性”的脉络。起首缭绕共性需乞降设计准则，成立高级另外技能尺度作为骨干，然后面向特异性产物成立有针对于性的设计规范，使3D打印金属骨植入物的设计尺度系统慢慢完美。2    不成降解非金属骨植入物

2.1    成长近况

于非金属质料中，陶瓷质料因为自身脆性年夜，难以用于年夜尺寸的具备承力功效的骨植入物中，今朝大都运用研究集中于小尺寸的骨填充支架方面。于聚合物质料中，聚醚醚酮（polyetheretherketone,PEEK）质料已经于植入物中有持久的运用汗青。比拟在金属质料，PEEK的力学机能与人体天然骨更为靠近，有益在心理载荷的通报，可有用改善假体植入人体后的应力遮挡征象。同时，PEEK于X线透射下呈半透明且无伪影，便在影像学不雅察。是以PEEK质料被视为可替换金属质料的下一代骨植入物质料，今朝于躯干、上肢、颅颌等非重要承力部位已经经有年夜量运用。于增材制造PEEK骨植入物临床运用方面，海内的成长处在世界前列。西安交通年夜学自2017年起利用质料挤出成形3D打印技能建造的定制式PEEK肋骨植入物率先实现了临床运用，后续于颅骨、胸肋骨、下颌骨、肩胛骨等多个部位得到运用，部门案例如图4所示。

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增材制造PEEK植入物的财产化成长于2023年取患了主要冲破，美国Curiteva公司于2023年经由过程FDA 510(k)许可得到了国际上首个质料挤出成形的PEEK骨植入物注册证，海内西安康拓医疗公司也于2023年经由过程我国药监局“立异医疗器械”得到了粉末床熔融PEEK颅骨修补假体的注册证。2.2    难点与挑战

只管PEEK骨植入物已经经于临床运用及财产化成长取患了乐成，但其成长依然面对两方面难点。一方面，PEEK质料自身生物惰性致使难以与人体构造联合，致使PEEK骨植入物存于较高的松动危害；另外一方面，现有可用在骨植入物的PEEK质料遭到外洋厂商垄断，海内行业成长存于“洽商”问题。PEEK质料的生物活性化是生物质料范畴的研究热门之一，今朝成长的重要计谋包括复合质料、涂层、外貌化学改性等。于上述办法中，涂层改性经由过程于PEEK外貌制备一层生物活性质料，可以或许有用改善PEEK质料的成骨功效，但涂层与PEEK基体的界面联合力衰仍是涂层改性亟须解决的问题。例如HAHN等经由过程气冷喷涂的方式于PEEK质料外貌制备羟基磷灰石（HA）涂层，只管提高了质料的生物活性，但HA涂层与PEEK基体间联合强度为14.3 MPa，仅为PEEK质料自身强度的20%摆布。外貌化学改性经由过程引入新的基团或者者活性因子，可按照器械需求实现药物缓释、抗菌、快速成骨等定制化功效，同时保留PEEK质料自己优秀的力学机能。但外貌化学改性一方面存于制备流程繁杂，难以从试验室进入财产化，另外一方面于质料层面引入了新的危害点，相干技能进入临床存于审批瓶颈。复合质料改性凡是选用生物相容性已经经被充实验证的质料，经由过程物理混淆的方式与PEEK基体举行复合，制造工艺简朴，且质料层面不存于技能危害，是以共混改性的PEEK复合质料联合3D打印多孔布局于财产化运用方面具备更年夜的远景。ZHENG等研究了质料挤出成形3D打印HA/PEEK复合质料支架的骨整合能力，发明孔隙尺寸为600 μm、HA质量分数为20%~40%时，支架的骨整合能力与金尺度“钛合金”相称。SUN等于软构造的研究中也发明，于PEEK中添加HA可以或许加速软构造与PEEK基体的慎密贴附，这对于防止术后炎症、积液等并发症有主要意义。于生物医用PEEK原质料方面，今朝国际市场重要被英国Invibio公司盘踞，于我国药品监视治理局注册的PEEK第Ⅲ类医疗器械中，还没有有利用国产PEEK原质料的产物。外洋厂商对于植入级PEEK原质料的垄断场合排场造成为了质料价格昂扬，制约了国产PEEK高机能医疗器械的成长。国产植入级PEEK质料的成长需重点解决高纯度PEEK出产工艺中对于在潜于可沥滤物、重金属残留及生物相容性的出产节制工艺难的问题。体系研究PEEK出产历程中的合成单体、溶剂等潜于可沥滤物对于在生物体的安全容限规模，从而成立起我国的植入级PEEK质料出产及评价系统。2.3    羁系成长

今朝我国于增材制造PEEK质料骨植入物范畴的尺度还没有健全。于原质料层面，YY/T 0660《外科植入物用聚醚醚酮（PEEK）聚合物的尺度规范》重要对于PEEK质料的身分、理化及力学机能举行了规范，于此基础上，集体尺度T/CAMDI015−2022《用在医学植入物的增材制造聚醚醚酮（PEEK）质料》对于植入物用到的PEEK质料的可沥滤物、重金属残留和与增材制造紧密亲密相干的理化指标举行了规范。上述尺度开端成立了PEEK骨植入物质料基础方面的规范。《增材制造聚醚醚酮植入物注册审查引导原则（2022年第3号）》针对于PEEK质料植入物年夜类产物提供了研发及注册依据。今朝可用在PEEK增材制造的工艺类型为质料挤出成形及粉末床熔融两类，其成形道理及利用的原质料形态有显著区分，是以还有需成立针对于特定增材制造工艺的质料尺度。于制造层面，我国已经开端成立了增材制造范畴的尺度系统，但相干尺度未思量到用在医疗器械的制造。因为增材制造工艺逐层累加的性子，制造历程中情况粉尘、机械体系杂质等存于被引入器械内部的危害，且增材制造工艺存于批次间一致性欠安的问题，是以须成立针对于医疗器械制造的增材制造装备及工艺评价尺度，从而确保产物的安全性及批次间机能。于医疗器械层面的尺度规范方面，咱们可于质料、制造层面尺度慢慢完美的同时，按照市场成长需乞降趋向，制订针对于详细器械类型的技能尺度及审评规范，起到尺度及产物同步成长甚至引领产物成长的作用。3    可降解植入物

3.1    研究近况

最近几年来，3D打印技能从制造以机械支撑功效为主的惰性人工植入物，向制造以再生修复功效为主的可降解植入物发生了主要改变。这一范畴正逐渐成为将来的成长标的目的及国际的主流共鸣，尤其是基在熔融、无溶剂的增材制造计谋，联合今朝已经经于临床上安全利用数十年的金属及医用高份子质料，为构建临床可用的可降解植入物提供了最为便捷及可行的路子。开展3D打印可降解植入物研究的单元重要包括哈佛年夜学、密歇根年夜学、维克丛林年夜学、莱斯年夜学、昆士兰科技年夜学、南洋理工年夜学、新加坡国立年夜学、西安交通年夜学、清华年夜学、上海交通年夜学、华南理工年夜学、四川年夜学、中国人平易近解放军空军军医年夜学等，研究内容集中于医用可降解质料的研发与功效改性、植入物布局设计、3D打印新工艺与设备研发、动物试验等“单位技能”的立异。于金属方面，镁、锌基质料于增材制造中面对金属蒸发及防爆等工程技能瓶颈，且面对降解速度过快的难题，故动物实验及临床的陈诉较为稀有。铁基可降解金属质料有极少量动物实验陈诉，NIE等于48周的持久动物实验中验证了铁基可降解金属于承重部位骨骼修复的潜力。于高份子方面，例如，德国弗劳恩霍夫激光技能研究所筛选了聚乳酸及碳酸钙的复合质料配比，优化了该类复合质料的激光粉末床熔融工艺，乐成实现了个性化可降解多孔颅骨板的制造。昆士兰科技年夜学的研究职员使用生物可降解聚己内酯-磷酸三钙复合质料经熔融挤出3D打印成形了蜂窝状多孔骨植入物，进一步于多孔植入物上负载生长因子，有用促成了绵羊年夜段胫骨缺损的修复。今朝，3D打印可降解骨科植入物的部门产物已经进入临床实验阶段。例如，西安交通年夜学及空军军医年夜学互助，2004年实现了3D打印年夜段可降解人工骨的临床实验。上海交通年夜学2018年实现了3D打印可降解耳郭软骨植入物的临床实验。3D打印的可降解骨、软骨植入物凡是具备及自然骨构造相近的模量，从而可为自体骨构造的再生提供姑且的布局及力学支撑。少数单元已经乐成实现了3D打印可降解骨科植入物的财产运用，如新加坡Osteopore公司将熔融挤出3D打印的聚己内酯支架用在颅颌面骨缺损的修复，与不成降解的惰性植入物比拟，可降解植入物年夜年夜降低了术后并发症的发生率。3.2    难点与挑战

针对于具备柔软力学机能和繁杂心理学功效的心肌、骨骼肌、神经等人体主要功效性构造器官的修复，仍旧缺少响应的可降解植入物设计准则、高精度3D打印工艺设备，以和实现其活性化、功效化再生修复的技能与计谋。于3D打印的可降解植入物与自体软构造力学柔性适配方面，西安交通年夜学的MENG等 研发了柔性多孔布局的设计与增材制造要领，使聚己内酯支架的弹性模量可于（1944.0±228.7）~（27.3±12.0） kPa广泛调治，笼罩了从软骨到肌肉再到脂肪等软构造的力学需求。该团队进一步提出了柔性可降解乳房支架年夜变形下的力学机能设计要领，实现了乳房软构造支架植入体内后变形环境的猜测，验证了其力学不变与安全性。2016年，他们与空军军医年夜学第一从属病院互助实现了3D打印可降解个性化乳房植入物的国际首例临床实验，成立了从患者影像学数据到个性化柔性乳房支架设计、3D打印、临床交付和跟踪的全流程技能系统，倾覆了传统“一刀切，填硅胶”的乳腺肿瘤医治手腕（见图5(a)）。颠末多年的成长，该团队所研发的可降解植入物已经拓展了可降解气管外支架（见图5(b)）等临床运用新标的目的。

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于软构造活性化/功效化再生修复方面，当前研究的前沿热门是付与3D打印可降解支架指导细胞构造发育模仿出天然构造形态及功效的能力。例如，高精度3D打印技能更有益在成形近似天然构造的繁杂微不雅布局，西安交通年夜学贺康健团队[38]发现了高精度静电3D打印技能，将3D打印的制造分辩率提高到微米甚至纳米标准。他们使用静电打印技能制造的微米、亚微米纤维支架可有用指导心肌细胞三维的分层定向生长，从而模仿出自然心肌构造的心理布局，为心肌梗死构造的修复医治提供了新的可能。此外，使用电荷中及与动态电压调控技能，HE等进一步开发了高妙宽比微米纤维支架的静电打印技能，实现了世界最高尺寸的微米纤维支架打印，有用指导了骨骼肌细胞年夜面积的定向生长，为大要积骨骼肌缺损的修复提供了潜于路子。这些研究于功效性软构造的宏不雅/微不雅心理布局再生修复方面取患了冲破性的进展，将来应进一步交融纳米功效质料或者生物活性质料，鞭策3D打印的可降解植入物向促成构造功效再生的标的目的成长。3.3    羁系成长

我国3D打印可降解植入物财产方兴日盛，于结果转化方面面对诸多挑战。例如，缺少响应的测试及评价系统，没法周全及体系地评价3D打印可降解植入物的安全性及有用性，制约了其财产转化。第一，需缭绕可降解质料和其3D打印成形历程中可能影响到产物机能的指标举行检测，明确可降解植入物产物加工历程中的潜于危害点。第二，与金属或者PEEK植入物的高温加工历程差别，可降解植入物的加工温度遍及较低，难以包管植入物加工历程中的无菌与干净。需要针对于特定的可降解产物制订尺度化灭菌工艺规范，确保不侵害产物机能的同时保障安全性。第三，于成形质量及有用性验证方面，尚需针对于运用需求，明确3D打印可降解植入物的成形精度、力学机能、降解机能和临床有用性的相干界说与测试评价系统。4    结论

（1）与增材制造金属骨植入物相干的质料及制造技能趋在完美，已经进入财产化成长阶段。多孔布局及定制化上风给3D打印骨植入物带来传统技能难以企和的上风，但也给植入物的设计及机能评价带来了挑战。遵照“共性-个性”的脉络，成立共性设计准则及针对于各种产物的设计规范是金属3D打印骨植入物将来的成长标的目的。（2）增材制造PEEK植入物于人体非重要承力骨的替换物中有凸起上风。PEEK质料的生物惰性致使其难以与人体构造形成慎密交融是今朝技能研究的重点范畴，PEEK基复合质料多孔布局有望为PEEK质料的构造交融难题提供便捷的解决方案。（3）增材制造可降解植入物有望为各种软硬构造缺损提供个性化、活性化修复的抱负路子。缭绕增材制造工艺与可降解质料的匹配性、植入物降解与构造再生的匹配性以和植入物持久的安全有用性仍需开展年夜量实践研究，以鞭策增材制造可降解植入物的进一步尺度化成长与临床运用。（4）患上益在快速成长的增材制造技能及泛博的患者群体，我国于增材制造人体植入物范畴的研究及运用均处于世界前列，于3D打印骨植入物及可降解软构造植入物等方面降生了一批具备引领性的临床运用，与之相干的羁系科学成长将引领个性化人体植入物从研究走向财产化，有望为我国高端医疗器械行业提供立异成长的主要机缘。

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