Трёхмерные печатные индивидуальные имплантаты в ортопедической хирургии

Краткое содержание

Этот протокол описывает клинический и технический рабочий процесс по проектированию и внедрению индивидуальных 3D-печатных имплантов в ортопедической хирургии, с целью предоставления персонализированных хирургических решений для пациентов с сложной потерей костной ткани или деформациями, где стандартные имплантаты недостаточны.

Аннотация

Цель этого протокола — определить клинический и технический рабочий процесс использования индивидуальных трёхмерных (3D) печатных имплантов в ортопедической хирургии, особенно в случаях сложной потери костной ткани или деформаций, когда стандартные имплантаты недостаточны. Хотя 3D-печать получила широкое медицинское применение, её роль в ортопедии особенно преобразующая для пациентов с патологиями, лишёнными традиционных хирургических решений. В этой рукописи подробно описан пошаговый процесс — от первоначальной оценки пациента и принятия решений до проектирования, изготовления и хирургической имплантации имплантации. Ключевые аспекты включают отбор пациентов, установление чётких ожиданий и совместное проектирование с биомедицинскими инженерами для обеспечения оптимальной посадки и функциональности имплантатов. Протокол подчёркивает критическую роль высокоразрешающей КТ-визуализации, точного автоматизированного проектирования (CAD) и передовых производственных технологий, таких как синтез порошковых слоев для металлических имплантов. Также обсуждаются этапы послеобработки, включая термическую обработку, обработку электрическими разрядами и отделку поверхностей, чтобы подчеркнуть обеспечение качества при производстве имплантов. Несмотря на многообещающие ранние результаты и потенциал улучшения, использование 3D-печатных имплантатов остаётся ограниченным из-за повышенных начальных затрат, отсутствия долгосрочных данных о результатах и индивидуального характера каждого случая. Тем не менее, их применение предлагает значительные преимущества в кастомизации, хирургическом планировании и восстановлении функционала, что подчёркивает необходимость дальнейших исследований и совершенствования. Этот протокол служит руководством для клиницистов, рассматривающих интеграцию 3D-печатных индивидуальных имплантов в свою ортопедическую практику, с целью расширения возможностей лечения пациентов со сложными реконструктивными потребностями.

Введение

Трёхмерная (3D) печать произвела революцию в ортопедической хирургии, позволив создавать индивидуальные инструменты, индивидуальные импланты и предоперационные анатомические модели для хирургического планирования. Эта технология позволяет быстро создавать прототипы и кастомизировать, что в конечном итоге приводит к улучшению хирургических результатов благодаря улучшенному предоперационному планированию и персонализированным хирургическим решениям с использованием индивидуальных имплантов и инструментов. Эти применения охватывают различные медицинские области, а не только^{ортопедию 1,2}. Например, в кардиоторакальной хирургии 3D-печать используется для печати моделей лёгочных артерий для хирургической подготовки, а в фармацевтической промышленности эта технология применяется для создания лекарств с определёнными свойствами, адаптированных к потребностям пациента. Создание 3D-печатных анатомических моделей помогло понять сложные медицинские состояния, диагностическую точность и направленные хирургические^{симуляции 1}. Кроме того, потенциал печати органов — также называемой биопринтингом — неоценим и изменит определение современной медицины.

В ортопедической хирургии технология 3D-печати значительно улучшила возможности ухода за пациентами множеством способов. Например, 3D-печать позволила хирургам создавать индивидуальные протезы для пациентов с ампутацией конечностей. Персонализация протезов улучшает их функцию, потенциально снижая осложнения и улучшая время^{восстановления. 1}. Кроме того, 3D-печатные анатомические модели помогают хирургам в предоперационном планировании, что позволяет лучше визуализировать и моделировать сложные процедуры — что может улучшить результаты лечения пациентов. Однако одним из самых значимых направлений в ортопедии стало использование индивидуальных 3D-печатных^{имплантов 1}. Недавно опубликованный обзор 3D, напечатанный в ортопедической хирургии, показал, что индивидуальные импланты в условиях ревизионной артропластики колена имеют клинические^{преимущества 3}. Хотя это не часто встречается, существуют некоторые ортопедические патологии, которые, к сожалению, имеют ограниченные хирургические возможности для лечения стандартными имплантатами и инструментами. В таких случаях часто приходится участки с потерей крупных костей или мягких^{тканей 1,2}. Традиционные хирургические методы, часто используемые в таких случаях, несут высокий риск осложнений, высокий уровень отказов, и даже при успешном исполнении часто несут пожизненные вреды для ^{пациента 1,2,4}. 3D-печать произвела революцию в возможностях хирургов справляться с подобными случаями и предоставила хирургические решения, которые ранее были недоступны. В этой рукописи представлены ключевые этапы проектирования и клинического применения 3D-печатных индивидуальных имплантов в ортопедической хирургии и рассматриваются несколько примеров случаев.

Протокол

Вся защищённая медицинская информация исключена с изображений и данных, описанных ниже. Тем не менее, пациенты были информированы об исследовании и использовании своих клинических изображений. Было получено информированное согласие. Исследование соответствовало этической политике учреждения.

1. Встреча с пациентом

1. Определите, подходит ли патология пациента для индивидуального 3D-печатного импланта.
2. Убедитесь, что пациент соответствует соответствующим критериям для использования индивидуальных имплантов.
   1. Чтобы соответствовать соответствующим критериям, убедитесь, что нет коммерчески доступного стандартного импланта, который адекватно лечит патологию пациента и обеспечит оптимальный функциональный исход с низкими рисками хирургического вмешательства
3. Полная медицинская оптимизация.
   1. Убедитесь, что все медицинские сопутствующие заболевания стабильны и правильно контролируются. Например, пациенты с диабетом должны иметь низкий уровень A1c, а пациенты с сердечными заболеваниями должны пройти соответствующее кардиологическое тестирование для обеспечения безопасности операции.
4. Консультируйте пациента и их семью по вопросам индивидуальных 3D-имплантов, включая их преимущества и недостатки.
5. Получить компьютерную томографию (КТ) операционной конечности пациента с соответствующими параметрами.
   1. Храните файлы в формате Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). Критические параметры сканирования включают размер пикселей 0,5 мм или меньше и расстояние между срезами 1,25 мм и меньше. Варьируйте kVp между 100 и 140 в зависимости от используемого сканера.
   2. Зафиксировать всю релевантную анатомию, такую как деформированную анатомию костей и окружающее хирургическое поле поля зрения сканирования, включая всю пораженную и противоположную переднюю часть стопы, среднюю и заднюю стопу вплоть до средней большеберцовой кости.

2. Конструкция имплантов

1. Передать снимки пациента, такие как КТ, производителю индивидуальных имплантов вместе с соответствующей информацией (например, боковой ориентацией, показаний и т.д.). Загрузите изображения напрямую в виде DICOM-файлов на онлайн-портал производителей имплантов для подачи КТ.
2. Преобразование визуализации пациентов из 2D КТ-срезов в 3D-модель предоперационной анатомии через сегментацию, где костная анатомия отделяется от окружающих мягких тканей в сетчатом программном обеспечении для моделирования, таком как Materialize Mimics.
   1. Импортируйте сканы DICOM в программу.
   2. Сгенерируйте костную маску, используя стандартное окно костей .
   3. Используйте алгоритм регионального роста, чтобы выбрать анатомию костей и разделить каждую кость в отдельную маску.
   4. Вручную удалите любые некостные участки, включённые в маску, используя функцию редактирования маски .
   5. Используя функцию разделённой маски , отдельте любые остальные кости, которые не были автоматически разделены алгоритмом роста области.
   6. Преобразуйте маску в деталь с помощью функции Calculate Part .
   7. Экспортируйте каждую кость как отдельную часть в .stl-файл с помощью функции экспорта .
3. Импортируйте каждый костяной .stl-файл в программное обеспечение для моделирования на основе mesh.

3. Настройте начальное позиционирование и проектирование имплантата в программном обеспечении для моделирования на основе mesh.

1. Зеркальная контралатеральная анатомия, чтобы соответствовать поражённой стороне.
2. Выровняйте зеркальную контралатеральную анатомию с помощью сетки, основанной на выравнивании контралатеральной кости с поражённой пяточкой.
3. Визуализируйте здоровый таранный талус, расположенный в нездоровом суставном пространстве.
4. Идеализировать/сгладить здоровый таран с помощью собственного алгоритма (restor3d) для создания первоначального тела импланта.
5. Скорректируйте положение поражённой большеберцовой и малоберцовой кости, чтобы отразить изменение высоты суставов с помощью тела импланта, сделанного из противоположной костёжной кости.
6. Проведите консультацию по проектированию импланта с хирургом и инженерами для изучения сегментированной 3D-анатомии.
   1. Обсудите вродственные деформации и выравнивание противоположной анатомии.
   2. Обсудите талярный имплант и любые изменения, которые необходимо внести в зависимости от пациента.
   3. Обсудите размер имплантата (95%, 100%, 105% объём).
   4. Обсудите места прикрепления мягких тканей, если это необходимо.
7. Финализация файла компьютерного проектирования импланта с использованием специализированного программного обеспечения (например, Materialise 3-matic, SolidWorks).
   1. Ремешуйте таларный имплант с помощью функции ремешинга, чтобы оптимизировать размер треугольника и плавность сетки.
   2. Сглаживайте любые неанатомические выступающие, такие как остеофиты, используя локальное сглаживание или гауссовскую гладкость .
   3. Заполните костные полости для увеличения прочности импланта.
   4. Используйте местные сглаживающие инструменты, чтобы суставные поверхности талярного импланта совпадали с окружающими суставными поверхностями.
8. Анализировать механические свойства имплантата (например, прочность, площадь поверхности) с помощью анализа конечных элементов или аналитических расчётов. Сравните прогнозируемую производительность с физиологическими нагрузками, ожидаемыми для клинической индикации, и с опубликованными эталонами для материалов из сплава кобальта, напечатанных на 3D-принтере.
   1. Убедитесь, что площадь поперечного сечения импланта превышает минимальную прочность материала.

4. 3D процесс печати

1. Экспортировать финальный CAD-файл дизайна имплантата в виде STL-файла из программного обеспечения или другого совместимого формата для аддитивного производства.
2. Разрезание на ломтики
   1. Импортируйте STL-файл в родное программное обеспечение 3D-принтера.
   2. Определите ориентацию печати на основе критически анатомических областей импланта, размещая суставные поверхности вдали от платформы.
   3. Создавайте опорные конструкции по мере необходимости для нависающих объектов.
   4. Начните процесс слайсирования в программном обеспечении принтера и конвертируйте инструкции в G-код.
3. 3D-печать импланта
   1. Производство имплантов с использованием селективного лазерного плавления (SLM) или эквивалентной технологии порошкового сплавления с порошком Ti-6Al-4V с ультранизким межуровнем (ELI).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Типичные медицинские порошки имеют распределение размеров частиц 15-45 мкм и обрабатываются в инертной аргоновой атмосфере с поддержанием уровня_O2 ≤ 1,2 ppm.
   2. Применяйте параметры сканирования, оптимизированные производителем принтера (например, 3D-системы), включая тип лазера, питание, расстояние между люками и толщину слоя. Примеры значений, представленные в литературе, включают толщину слоя 30-60 мкм, расстояние между штрихами 100-120 мкм и мощность лазера 150-300 Вт, при этом ориентация определяется по оси z, когда это применимо.
      1. Используйте источник тепла (например, волоконный лазер или электронный луч) для выборочного синтеза металлического порошка (размером частиц 15-45 мкм) в инертной атмосфере аргона (≤ 1,2 ppm_O2), формируя имплантатный слой за слоем на строительной пластине.
   3. Контролировать соответствующие параметры, включая плотность энергии пучка, толщину порошкового слоя и среду строительной пластины, чтобы обеспечить точность размеров и механическую целостность.
4. Постобработка
   1. Усовершенствовать свойства имплантата с помощью горячего изостатического пресса (HIP) для устранения остаточной пористости, снятия стресса и улучшения микроструктуры. Типичные условия, описанные в литературе, включают ~920 °C при 1000 бар в течение 120 минут в инертной атмосфере.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Альтернативные термические методы, такие как отжиг, могут применяться в зависимости от материала и конструкции имплантата.
   2. Удалять импланты с платформы с помощью электрической разрядной обработки (EDM). Прорезать тонкий базовый слой конструкции с помощью контролируемой эрозии искры, с выбранными параметрами для минимизации термического повреждения и поддержания точности размеров.
   3. Используйте ручные инструменты для удаления опор, используемых для печати (дремели, ручная полировочная машина).
   4. Наносите поверхностные обработки, чтобы удалить остатки порошка, крепления и корректировать шероховатость. Обрабатывайте все пористые поверхности и вручную полируете суставные поверхности.
      1. Проведите анодирование по стандарту SAE AMS 2488D Type II для повышения коррозионной устойчивости и биосовместимости.
5. Проведите объёмную проверку готового импланта с помощью высотомера и калибровочных суппортов. Когда требуется более высокая точность, подтверждайте измерения с помощью измерительной машины координат (CMM) по CAD-модели.
   1. Визуально и микроскопически проверяйте покрытие поверхности и пористость для обеспечения точности пористых структур и особенностей обработки. Подтвердите, что значения шероховатости поверхности (Ra) соответствуют проектным спецификациям интерфейсов оссеоинтеграции и приборов.
   2. Проверяйте механические свойства с помощью тестов с использованием участка выпуска образцов из собачьей кости, напечатанных на той же платформе. Испытательные образцы проходят испытания на растяжение для подтверждения соответствия механической прочности опубликованным стандартам для Ti-6Al-4V ELI (или другого имплантального сплава). Фиксируйте размерные измерения тестовых образцов для проверки точности печати.

5. Операция

1. Предоперационное обследование
   1. См. Контакт с пациентом (шаг 1)
   2. Проведите предоперационное консультирование по рискам и преимуществам хирургической процедуры.
   3. Получите информированное согласие на проведение операции.
   4. При необходимости провести предоперационную оценку анестезиологами.
2. Хирургическая процедура (тотальная замена таранной кости)
   1. Поместите пациента под общий наркоз на операционный стол и закрепите его на столе.
   2. Нанесите правильную амортизацию на все участки костной выпуклости.
   3. Наложите жгут на операционную конечность.
   4. Затем стерильно подготовьте и накройте операционную конечность.
   5. Проведите хирургический тайм-аут в соответствии с политикой больницы, подтвердив подходящий пациент, латеральность и процедуру.
   6. Назначайте предоперационные антибиотики в соответствии с протоколом больницы.
   7. Используйте передний подход для доступа к голеностопному суставу, используя интервал между длинным разгибателем галлюцис и передними сухожилиями большеберцовой кости.
   8. Латерально втягивайте нейроваскулярный пучок и защищайте его на протяжении всей процедуры.
   9. Определите и откройте капсулу голеностопного сустава продольно.
   10. Удалите местный аваскуларный/повреждённый талус с помощью пилы, остеотомов и ронгеров. Особое внимание уделяется защите суставных поверхностей дистальной большеберцовой кости, навикулярной и пятачевой кости.
   11. После удаления таранной кости используйте сайзеры, чтобы определить подходящий размер талярного импланта для использования.
   12. После определения подходящего размера вставьте 3D-печатный имплантат в лодыжку. Подтвердить подходящее размещение с помощью интраоперационной флюороскопии и клинической оценки.
   13. Затем промывайте и закройте рану слоями.
   14. Наложите стерильные повязки и наместите пациента в хорошо забитую шину.
3. Послеоперационный протокол
   1. Снимайте швы через 2-3 недели после операции.
   2. Начинайте сеансы с нагрузкой на 8-12 недель после операции, в зависимости от случая.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Начальная нагрузка — в ботинке, а переход на обычную обувь — в течение нескольких недель. Физиотерапия необязательна, но рекомендуется для тренировки походки и улучшения подвижности.

Результаты

Как правило, долгосрочные репрезентативные результаты для 3D-печати в ортопедической хирургии ограничены из-за малого размера выборки и короткого времени использования 3D-печати в медицине. На данный момент доступны некоторые репрезентативные данные.

Ниже приведены три примера пациентов, которым лечили 3D-печатные имплантаты, с ограниченными альтернативными вариантами для крупных костных дефектов или деструктивной патологии суставов. Все импланты были разработаны с использованием вышеупомянутого протокола.

Пациент 1

43-летний мужчина обращается с хронической болью в левой лодыжке. Пациент 1 получил перелом шеи таля, который лечился без операции более десяти лет назад. Рентгенограммы и КТ, показанные на рисунках 1 и рисунке 2 , показывают таларный аваскулярный некроз с выраженным склерозом и фрагментацией таранной кости. Прилегающие поверхности суставов хорошо сохранились — но кисень демонстрирует значительную фрагментацию и склероз, характерные для прогрессирующего талярного аваскулярного некроза. Пациента осмотрели в внешнем учреждении и предложили процедуру артродеза для сращивания субталярных и голеностопных суставов. Пациент сообщает, что для того, чтобы носить определённую обувь на работе, требуется полный диапазон движений, и у пациента нельзя сделать сращение голеностопного сустава. Обсуждая варианты с пациентом, мы обсудили, что альтернативой является индивидуальный 3D-печатный полный талус. Это относительно новый хирургический вариант без долгосрочных данных; однако этот вариант позволяет сохранить его суставы и амплитуду движений. Мы подробно обсудили риски, связанные с этой процедурой, и отсутствие долгосрочных данных. Однако пациентка сказала нам, что сращение не возможно. После длительного обсуждения пациент решил выполнить индивидуальную 3D-печатную полную замену талуса. В случае этого пациента мы выбрали титановый сплав для материала импланта. Этот материал обладает биомеханическими свойствами, похожими на родную кость, и обладает оптимальными свойствами износа, снижая риск повреждения окружающего хряща.

Таран предназначен для отражения контралатерального осыпного мышца пациента, что нормально без болезни. Послеоперационная визуализация, полученная на его послеоперационном приёме на 6-й неделе, показана на рисунке 3. Пациент сообщает, что хорошо ходит после операции, без боли, и наблюдается улучшение функционального уровня. Пациент отмечает, что после операции у него увеличилась амплитуда движений, а сгибание дорсии примерно на 10 градусов и 35 градусов подошвенного сгибания.

Пациент 2

20-летняя женщина с болью в левой стопе и отёком из-за известной гигантской клеточной опухоли первой плюсневой кости. Пациентку сначала лечили с помощью тарсеризации и костной трансплантации — процедуры, при которой опухоль соскобли и заменили её костным материалом. Рентгенограммы и КТ (рисунок 4 и рисунок 5) показали экспансивное литикообразное поражение, сосредоточенное в первой плюсневой кости, совместимое с биопсийно подтверждённой опухолью гигантских клеток. Из-за постоянных симптомов активности и раздражения при ношении обуви пациент пожелал провести хирургическую резекцию всей плюсневой кости. Раньше она пробовала менее инвазивные и местные процедуры, которые не помогли. Хирургическая резекция плюсневой кости — это масштабная процедура, и сложность связана с реконструкцией резецированной области.

Во время встречи с пациенткой мы обсудили её варианты, включая замену всей плюсневой кости на 3D-печатную кость или использование кости, взятой из её ноги, что должно было быть аутотрансплантатом малоберцовой кости. Мы обсудили риски трансплантации малоберцовой кости, включая заболеваемость на месте трансплантата и высокий риск несрощения. Другой вариант — частичная ампутация стопы, которая её не интересовала. После обширных обсуждений с пациенткой и её семьёй во время нескольких визитов она решила приступить к созданию индивидуального 3D-печатного импланта. Индивидуальная плесновая клетка может поддерживать длину и анатомию пациента, обеспечивать более механически прочную конструкцию, чем автотрансплантат, и не несёт заболеваемости донорского участка, связанной с свободным сбором малоберцовой клетки. Предоперационные проекты, созданные в ходе проектного вызова с инженерами, показаны на рисунке 6. Эта процедура была проведена с командой ортопедической онкологии, чтобы убедиться, что резекция была проведена правильно. Фотографии импланта в день операции показаны на рисунке 7. Как и у пациента 1, выбранный материал имплантата — титановый сплав, который по биомеханическим свойствам схож с корковой костью.

После операции её держали без нагрузки в течение всего 12 недель. Она начала наносить вес на 12-й неделе и постепенно вышла из него к 4 месяцам. Послеоперационная рентгеновская снимка (рисунок 8), полученная через 3 месяца, не показала признаков аппаратной неисправности с некоторой костной интеграцией импланта. За 6 месяцев визита она полностью вышла из ботинка и начала заниматься низкой нагрузкой. КТ, полученный во время шестимесячного визита, показал, что имплантат имел хороший костный контакт и стабильность с некоторой интеграцией кости в имплантат (рисунок 9). Прошло больше года после операции, и она ходит без боли в обычной обуви.

Пациент 3

34-летняя женщина обращается с 7-летней хронической болью в правом голеностопе, вызванной остеонекрозом таральной кости и последующим обрушением талярного купола. Её предоперационные рентгенограммы показаны на рисунке 10. Она также продемонстрировала остеонекроз большеберцовой пластинки и пятчатого тела с выраженным остеоартрозом большеберцового и субталярного суставов. Считалось, что это вторично по отношению к хроническому употреблению высоких доз стероидов во время длительной госпитализации в прошлом.

В целом, её ежедневные занятия были значительно ограничены из-за хронической боли в правой лодыжке. Она пыталась проводить консервативное лечение с помощью длительной физиотерапии, изменения активности и назначение обезболивающих, назначенных её лечащим врачом. Мы обсудили её хирургические варианты, учитывая её стойкие симптомы. Исходя из её визуализации, мы обсудили, что изолированное сращение голеностопа, скорее всего, не будет хорошим вариантом для неё из-за коллапса таляра и субталярного артрита. Мы обсудили, что лучшим хирургическим решением является артродез тибиоталокалканеального (TTC). Однако проблема в её случае — значительная потеря высоты суставов из-за коллапса таляра, а также большая костная пустота, которая останется после удаления нездоровой талярной кости. Структурный трансплантат может выполняться с использованием аллотрансплантата на головке бедра; Однако в литературе сообщаются высокие показатели проседания и неудачи трансплантата. Кроме того, сложно восстановить её рост, так как аллотрансплантат может быть сложно правильно сформировать и он может не идеально сидеть. Другой вариант — индивидуально напечатанная 3D-печатная клетка. Металлическая клетка может поддерживать высоту и анатомию без риска проседания трансплантата и является механически прочной конструкцией. После долгих обсуждений она решила провести артродез TTC с использованием 3D-печатной индивидуальной клетки. Клетка снова создана из титанового сплава, который обладает биомеханическими свойствами, схожими с костями. Это выбрано для имитации естественной биомеханической среды роста костей в клетке. Послеоперационная визуализация, сделанная через 3 месяца, показана на рисунке 11. Высота её голеностопного сустава восстанавливается с помощью импланта, а на границе имплантат-кость происходит хорошая костная интеграция.

Её держали без веса в течение 12 недель. Потом она начала ходить в ботинке и к 4 месяцам перешла на шоу. К шести месяцам пациентка уже ходила без боли, а на следующем приёме через год у неё не было функциональных нарушений из-за проблемы с лодыжкой. Она больше не ограничена лодыжкой и гораздо активнее, чем до операции.

Рисунок 1: Предоперационные рентгеновские снимки пациента 1. (A,B) Предоперационные врезки (A) и латеральные (B) рентгеновские снимки левой лодыжки пациента 1. Рентгенограммы демонстрируют значительный талярный аваскулярный некроз со склерозом и фрагментацией таржни. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2: Предоперационная КТ пациента 1. (Кондиционер) Предоперационная аксиальная (A), сагиттальная (B) и корональная (C) КТ левой лодыжки у пациента 1. КТ-сканирование показывает значительный таларно-аваскулярный некроз со склерозом и фрагментацией таржни. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры. 

Рисунок 3: Послеоперационные рентгеновские снимки пациента 1. (A,B) Послеоперационные АП (A) и врезные (B) рентгеновские снимки левой лодыжки пациента 1, сделанные на 6-й неделе приёма. Рентгенограммы, сделанные через 6 недель, демонстрируют правильное выравнивание и расположение талуса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4: Предоперационные рентгеновские снимки пациента 2. (A,B) Предоперационные рентгеновские снимки правой стопы пациента 2 с нагрузкой на нагрузку (A) и боковые (B) рентгеновские снимки правой стопы пациента 2. Рентгенограммы демонстрируют большое костное расширенное поражение первой плюсневой кости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5: Предоперационная КТ пациента 2. (A-C) Предоперационные аксиальные (A), сагиттальные (B) и корональные (C) КТ правой стопы пациента 2. КТ пациента демонстрирует поражение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6: Дизайн импланта до 3D-печати. Это примеры этапа проектирования имплантата, когда инженеры создают схемы импланта с помощью КТ-сканирования пациента. Имплант крепится к головке плюсневой кости с помощью винтов, которые вставляются внутрь импланта. Имплантат закрепляется на медиальной клинописной кости с помощью киля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7: Клинические изображения трёх размеров имплантатов. Для кейса напечатано три размера, каждый с 5% вариацией объёма. Причина этого — учитывать любые интраоперационные вариации и вариации в КТ относительно самой анатомии пациента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 8: Послеоперационные рентгеновские снимки пациента 2. (A,B) Послеоперационные наносящие нагрузки AP (A) и боковые (B) рентгеновские снимки пациента 2. Рентгеновские снимки, сделанные через три месяца после операции, демонстрируют наличие аппаратного обеспечения в нужном месте с хорошим выравниванием и хорошим расположением костной клетки между имплантатом и родной костью. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 9: Послеоперационная КТ пациента 2. (A,B) Послеоперационная КТ сагиттальная (A) и аксиальная (B) визуализация демонстрирует стабильное аппаратное обеспечение и хорошее расположение костей на границе между костью и имплантацией, с формированием костной ткани и интеграцией импланта в родную кость. Эта КТ была получена через 6 месяцев после операции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 10: Предоперационные рентгенограммы пациента 3. (A,B) Предоперационные АП (A) и латеральные (B) рентгенограммы правой лодыжки пациента 3. У пациента наблюдается значимый талярный коллапс и артрит голеностопных и субталярных суставов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 11: Послеоперационные рентгенограммы пациента 3. (A,B) Послеоперационные AP (A) и латеральные (B) рентгенограммы правой лодыжки пациента 3. Рентгенограммы, полученные во время 6-месячного наблюдения пациента, показывают, что аппаратное обеспечение установлено с хорошим расположением костной клетки в местах сраяния. Высота лодыжкового сустава восстановлена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Обсуждение

Индивидуальные 3D-печатные импланты в ортопедической хирургии встречаются редко; однако их полезность в оспаривании дел проявляется в вышеуказанных делах. Для таких пациентов без 3D-печати хирургические решения довольно ограничены, и даже лучшие доступные варианты несут высокие риски и функциональные последствия. В процессе проектирования индивидуальных имплантатов необходимо учитывать множество важных этапов. Прежде всего, подходит ли чехол для индивидуальных имплантатов. Это требует тщательного рассмотрения всех вариантов, их плюсов и минусов. Важно вовлекать пациента и его семью в эти обсуждения. Индивидуальные 3D-импланты стали более современными и имеют ограниченную литературу, поэтому крайне важно информировать пациентов об их экспериментальном характере.

Вторым по важности этапом в процессе является проектирование имплантатов. Хирург должен учитывать несколько факторов, включая размер имплантата, хирургический подход, необходимые инструменты для установки имплантата и хирургические цели. Это включает консультирование хирургов с опытом 3D-печати, а также работу с инженерами по проектированию для создания дизайна импланта. После начала производства имплантов пространство для модификации ограничено; Поэтому этап проектирования имеет решающее значение.

Несмотря на многообещающий потенциал 3D-печати в ортопедической хирургии, остаются ряды проблем. Значительным ограничением является высокая стоимость, связанная с этой технологией. Стоимость имплантов может варьироваться от $14,000 до $20,000 для наших имплантов, в зависимости от сложности случая. Однако по мере дальнейшего развития технологий 3D-печати ожидается, что производственные затраты со^{временем будут снижаться. 1}. Ещё одним важным ограничением является отсутствие долгосрочных данных о результатах. Недавно опубликованное ретроспективное многоцентровое исследование оценивало безопасность 3D-печатных замен таранной мышки для лечения аваскулярного^{некроза 4}. В их исследовании было всего 15 пациентов с минимум годом наблюдения, и они определили, что ранние результаты обнадёживают и приносят хорошие результаты. Адамс и др. продемонстрировали схожие безопасные результаты с 3D-печатными клетками для крупных^{костных дефектов 5}. В своём исследовании они сравнили восьмерых пациентов, перенесших операцию с индивидуальной клеткой, с семью пациентами, которым сделали операцию с крупной аллотрансплантальной костью трупа. Кадакия и ^др.6 оценили результаты полной артропластики олап у 22 пациентов за 2 года. Они отметили значительные функциональные улучшения при краткосрочном последующем наблюдении. Интересно, что в центрах Японии есть несколько исследований, оценивающих долгосрочные результаты после тотальной артропластики талуса. В этих двух исследованиях было проведено более 10-летнего послеоперационного наблюдения, и было установлено, что пациенты имели хорошие результаты после полной замены талуса или просто замены талярного^{тела 7,8}. Важно отметить, что эти импланты не были кастомными или 3D-печатными, а были керамическими; Таким образом, эти данные не соответствуют современным полным заменам талусов, которые являются металлическими и кастомными. Тем не менее, интересно отметить, что эта процедура и концепция существуют уже довольно давно, но с тех пор становятся всё более популярными для лечения тяжёлой таларной патологии. Хотя основное внимание этой рукописи уделяется случаям нижних конечностей, применение 3D-печати в ортопедии распространилось на многие^{подспециализации 2}. Малюнктированные переломы дистального лучевого мышца могут иметь серьёзные функциональные последствия для пациентов, и корректирующие остеотомии, необходимые для коррекции этой деформации, очень сложны из-за множества планов коррекции, которые необходимо учитывать. То же самое можно сказать и о переломах предплечья, которые заживают неправильно, так как необходимо учитывать вращательные силы. Несколько недавно опубликованных исследований показали, что индивидуальные 3D-печатные направляющие и инструменты для резки могут помочь в этих сложных случаях коррекции деформаций верхних конечностей ^9,10.

Важно отметить, что несмотря на многообещающие результаты индивидуальных 3D-печатных имплантов и приборов, последние опубликованные исследования имеют очень малый размер выборки с краткосрочным наблюдением ^6,7,8. Немногие исследования показали долгосрочные результаты 3D-печатных имплантов, и необходимы дальнейшие исследования для оценки их долговечности и эффективности. Частично это связано с тем, что эта технология относительно новая, а патология, предназначенная для 3D-печати, встречается редко. Кроме того, из-за высокой настраиваемости этих имплантов обобщение результатов в разных случаях очень сложно.

Тем не менее, потенциальные преимущества 3D-печати очевидны из приведённых примеров и доступной литературы. Одним из самых убедительных преимуществ является возможность воспроизводить анатомию человека уникальными способами, которые ранее были невозможны. Индивидуализация позволяет точно адаптировать импланты под конкретных пациентов, что позволяет напрямую соответствовать хирургической потребности. С постоянным развитием технологий компьютерной томографии и 3D-печати импланты становятся всё более точными, долговечными и экономичными ^1,2.

В целом, 3D-печать остаётся быстро развивающейся технологией, предлагающей расширяющийся спектр возможностей в ортопедической хирургии. По мере развития технологий будущие применения могут включать создание более сложных, взаимосвязанных структур. По мере того как мы осваиваем одиночные костные и суставные имплантаты, следующим логичным шагом станет изучение создания более сложных, многокомпонентных имплантов. Хотя современные имплантаты в основном используют биосовместимые металлические сплавы, ещё одним важным шагом в 3D-печати могут стать будущие инновации в реконструкции мягких тканей, такие как биопечать для создания^{хряща 11}. 3D-печать — это захватывающая область технологий, которая постоянно развивается, и её применение в ортопедической хирургии будет продолжать расти и адаптироваться по мере изменений этой технологии.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Метатарзальный титановый имплант в клетке	Restor3D	https://www.restor3d.com/	Индивидуальный имплант; Титановый сплав (Ti-6Al-4V)
Сферический титановый имплант в клетке	Restor3D	https://www.restor3d.com/	Индивидуальный имплант; Титановый сплав (Ti-6Al-4V)
Полная замена осыпи	Restor3D	https://www.restor3d.com/	Индивидуальный имплант; Титановый сплав (Ti-6Al-4V)