我與祖國共成長
九院骨科研發個性化治療之路
始建於1920年的伯特利醫院，現為上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院，於1949年新中國成立之初設診骨科。骨科學和骨科生物力學專家、中國工程院院士戴尅戎是九院骨科的領軍人。在他的帶領下，歷經幾代人的辛勤耕耘和開拓創新，九院骨科已發展成為設有5個病區、200多張床位，集臨床診療、科學研究與教學為一體，在關節、脊柱、創傷、腫瘤等領域形成專業特色，國內外享有很高聲譽的一流骨科學臨床和研究中心。戴尅戎院士是我國最早接觸3D打印技術的醫學專家之一，上世紀80年代，他將目光聚焦到3D打印技術，繼而帶領學科在3D打印技術的醫學科研與轉化應用上不斷創新突破。如今，上海九院已是3D打印技術“重鎮”，建立了為全市、全國服務的3D打印接診中心和創新研究中心。歷經祖國改革開放40年，九院骨科與祖國同呼吸、共成長，不忘初心、牢記使命，開拓創新、逐夢前行！
３Ｄ智造
每位正常人的骨骼和關節數目會相同，但不會有任何兩個人的骨骼和關節的發育及形狀會是完全一樣的。使用人工製作的“假體”替代病變的骨與關節時，經常會遇到因個體差異導致匹配度不夠精準的問題。
隨著科學技術的迅速發展， 3D打印技術的醫學研究與轉化應用，為精準修復骨與關節病損開闢了一塊新天地。
“3D智造”打破了傳統上用少數幾種標準假體修復各種體型、各種骨關節病損的局面，將“個體化”精準修復或置換治療推向了一個嶄新的高度。
３Ｄ打印，個體化精準修復....
3D打印推動骨科個性化治療
現代人工關節誕生並發展於20世紀中期，在骨科技術發展史上具有里程碑意義。
早期，同一款假體幾何形態基本一致，僅有不到十種尺寸差異。之後假體設計被不斷改進，組成假體的部件有多種規格並在連接部設計了更多的調節接口。但即便如此，仍無法取得最佳部件與組合，難以實現“最優化重建”。尤其對存在顯著解剖畸形、腫瘤及翻修的患者，例如骨盆惡性骨腫瘤，病變與切除範圍存在很大的個體差異和不確定性。
為了保障手術徹底，降低腫瘤複發率，手術醫生需要個性化地採用各種根治術或擴大根治術，增加了骨關節修復難度，而商業化的積木式假體往往很難完美匹配與替代缺失的解剖結構。
面對無法避免的個體化重建手術，醫生有兩種選擇。一種是以常規假體為基礎，對相關骨性結構進行“削足適履”式的修整，通過修整骨骼去“適應”假體。第二種就是個性化定製，通過預先設計，製造出符合個體需求、完美匹配而且能順利植入體內的植入物。
骨科個體化治療作為一種先進治療理念，促進了假體設計和製作技術的進步。
上世紀80年代，3D打印技術開始興起，當時稱為快速原型技術。在計算機輔助設計與加工（CAD與CAM）技術和先進的影像學手段的幫助下，把二位圖像疊加成立體實物，通過材料的精確堆積，製造出物件原型，把二維圖像疊加成立體實物，實現了新一代個體化人工關節設計與製作的數字化技術。
戴尅戎院士是我國最早接觸3D打印技術的醫學專家之一。上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科對於個體化植入物的研究始於上世紀80年代。在煙臺的一次人工關節學術會議上，戴尅戎教授與時任上海交通大學精密機械系主任王成燾教授相識，返滬後雙方立即帶領團隊相互參觀交流，從此開始了兩人和兩個科室長達30多年的合作。
當時，每個部位的人工假體只有不到10種型號，而每個病人的情況都是不同的。醫生只能選取一種接近的型號，再用骨銼或骨刀去除一部分“多餘”的骨骼，才能為患者裝上本來不適配的假體。
如何避免“削足適履”、實現人工關節的個性化定製？成為戴尅戎和王成燾教授研究的共同興趣點。最終，他們合作嘗試將計算機輔助設計與加工製造技術引入個體化假體制造領域，初步建成了直接面向臨床的個體化植入物數字製造系統，合作產品獲得了定製型人工關節的生產許可證，為越來越多的疑難病例重建運動和負重功能提供了定製型人工假體。
2013年，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院成立3D打印技術臨床轉化中心。中心建立了醫工結合的研發隊伍，購置了多種材料與規格的醫用3D打印設備，並在全國20多家醫院成立分中心，通過九院的輻射帶動全國各省市。2016年，上海交通大學醫學3D打印創新研究中心揭牌，進一步推動了3D打印技術的發展（圖1）。
圖1：2013年上海第九人民醫院成立3D打印技術臨床轉化中心，2016年上海交通大學醫學3D打印創新研究中心揭牌
“3D打印技術已推廣到髖、膝、肩、踝、足、肘、腕、骨盆、脊柱，也廣泛用於顱、頜面、口腔、眼、耳、鼻、喉等各個部位的修復與重建，還可打印各部位的康復輔具和疾病模型。模型可用於醫工聯合假體設計改良模擬手術以及與病人或學生的交流與溝通，也可對四肢和軀幹所有關節、骨骼的假體進行量身定製。”戴尅戎院士說。
“第三次工業革命是一場數字化革命，包括計算機技術、信息技術、互聯網技術和數字化製造技術等，3D打印技術是其中重要標誌之一。”戴尅戎院士曾在等多個學術會議上對“醫學提升的下一個風口”提出真知灼見：“醫學理念與模式正在經歷最大規模的轉折。”
厚積而薄發，上海九院如今已經是3D打印技術的“重鎮”，多個科室和醫技人員均已參與其中，建立了為全市、全國服務的3D打印接診中心和創新研究中心。
及他人所不能及，屢創行業之先河
善於運用新技術、大膽創新，是戴尅戎院士領銜的上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科的一貫傳統。1978年，戴尅戎從上海鋼鐵研究所楊海波工程師那裡瞭解到，有一種已被用於製作航空、航天、輸油管道部件的鎳鈦合金，對其製品的原始形狀具有“記憶”功能，可以在低溫下改變形狀，而在升溫後回覆原形。
經過三年的共同合作，戴尅戎院士與楊海波工程師、上海第六手術器械公司周緒章技師團隊共同發明了蜚聲海內外的形狀記憶加壓騎縫釘，解決了經關節骨折治療中的難題，團隊獲得國家發明二等獎。隨後又發明了形狀記憶鋸齒臂環抱器，開創了國內外形狀記憶合金醫學應用的歷史先河。在名古屋國際形狀記憶合金學術會議上戴尅戎被授予形狀記憶合金醫學應用奠基人金盃（圖2）。
圖2 戴尅戎在國際上首先將形狀記憶合金用於醫療，獲國家發明二等獎（1989）（左），並於1990年在名古屋國際形狀記憶合金醫學應用會議上獲奠基人金盃（右）
上世紀80年代，戴尅戎及其團隊先後在中國人的步態分析、平衡功能測定、國產骨水泥、多孔表面人工關節、內固定的應力遮擋效應以及無機骨粒骨水泥的實驗研究等方面取得創新性的研究成果。
戴尅戎院士這種與時俱進、大膽創新的精神，影響了九院骨科幾代人才的成長與進步。在最新的3D打印技術方面，他們也時時迸發奇思妙想，及他人所不能及，救治了很多高難度的複雜病例，多次開創行業之先河。
關節骨盆量身做
骨盆是聯結軀幹和下肢並提供負重和運動的重要樞紐，一旦發生腫瘤或畸形，往往治療困難，難以徹底切除病變和重建骨盆。從上世紀末開始，藉助於3D打印技術，依據骨盆模型的幫助，通過計算機輔助設計與加工，戴尅戎、王成燾團隊連續應用3D打印內植物，為多例骨盆腫瘤和廣泛骨溶解的病人完成了切除病變、重建骨盆的手術，均獲成功（圖3）。
圖3① 右髖巨大腫瘤侵犯右半骨盆Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區；② 3D打印骨盆標本；③④ 在標本上確定切除範圍，並設計人工假體、進行手術演練;⑤術後X線片假體的髖關節與對側等高，與中線等距離，髖臼方向對稱；⑥術後一月餘下地活動
進入二十一世紀後，3D打印設備與技術迅速進步。2014年，上海第九人民醫院購置了首臺金屬3D打印機，完善了醫用3D打印的全套技術與設備。為一位骨盆腫瘤的患者直接打印了骨盆標本，利用標本設計了骨盆切除範圍和假體，並直接打印出手術導板和個性化骨盆假體。在3D打印手術導板的引導下徹底切除了腫瘤，裝入了3D打印的多孔表面鈦合金定製骨盆假體。
病人於術後3天下地行走，術後9月可完全下蹲、自如地進出汽車並駕車外出。這位病人從確定手術範圍、製作截骨導板、進行腫瘤切除演練、骨盆假體設計和模擬安裝、確保肌肉附著和假體-骨骼融合的全過程，都得益於3D打印技術。
戴尅戎院士團隊的成員們都說：一旦體驗了3D打印技術所帶來的種種好處，就再也不願離開它了。
這些成績獲得了應有的評價和獎勵，在獲得的上海科技進步一等獎和國家科技進步二等獎中，上海交通大學王成燾教授為第一完成人、戴尅戎為第二完成人。戴尅戎認為，這樣是公平的，醫生們不斷得到病人和家屬的感謝和讚揚，而工程師的功績更大，理應得到更大的讚揚。定製型人工骨盆獲得上海市科技進步一等獎，郝永強教授為第一完成人，戴尅戎院士為第二完成人。戴尅戎說，這樣公平，我年紀大了，苦活累活和近年來的骨盆手術都是郝永強完成的。
一段頸椎的“私人定製”
32歲的小彭來自武漢，當他找到上海第九人民醫院骨科主任趙傑教授時，還必須依靠頭頸胸支具的固定保護，才能保持坐立及站立姿勢——巨大的腫瘤侵佔了他的第2～5頸椎椎管，並且“蔓延”至第1～6頸椎左側，已導致頸3椎體骨折，頸2、4椎體也破壞嚴重，整個頸椎已喪失了可靠的骨性支撐。
小彭的頸部腫塊雖屬於良性的神經源性腫瘤，但腫瘤巨大，累及範圍太廣，且包繞頸動脈、椎動脈。既要完整切除腫瘤，又要進行上頸椎重建，治療難度極大。
趙傑主任帶領脊柱外科團隊，與神經外科、口腔頜面外科、麻醉科、耳鼻喉科、血管外科等科室進行多次聯合討論，最終確定“前後包抄”、分兩期手術切除腫瘤：一期抄“後路”——經頸後入路切開顯露並手術切除絕大部分腫瘤；二期走“前路”——劈開下頜骨，清除前側與前外側的殘餘腫瘤。
兩期手術都是長時間的“接力賽”。一期手術耗時15個小時，由趙傑和神經外科郭智霖教授操刀。術後，小彭的脊髓壓迫完全解除，並初步重建了頸椎的穩定性，四肢肌力和感覺迅速恢復。二期手術時，趙傑帶領的脊柱外科團隊，由口腔頜面外科醫生助陣，神經外科護航，掀起小彭的舌根等咽前組織，將前側與前外側被侵犯的椎體一併切除。
二期手術除了掃蕩“餘孽”，更重要的目的是解決頸椎重建難題：此次切除的椎體累及節段長度超過6釐米，上頸椎局部結構複雜，單純應用傳統的髂骨植骨重建，會有骨量不足、支撐力量薄弱等問題。如果應用傳統的長節段鈦網植入支撐，又存在固定困難、穩定性不足、失敗率高等缺點。
趙傑主任想到了3D打印技術。經過醫工交互團隊的反覆討論，大家一致認為只有應用3D打印技術設計和製作的個體化內植物支撐，才能實現頸椎有效重建。於是，趙傑和3D打印團隊開始為小彭“量體裁衣”。
他們前後耗時2周，通過3D打印技術直接打印出小彭頸椎和血管的全尺寸模型，並通過計算機模擬椎體的病灶切除範圍，設計、製造出與之相匹配的個體化人工椎體，還在模型上反覆模擬了植入手術。
3D打印機發射出溫度極高的電子束，迅速按設計融化金屬粉末，一點一點、一層一層完成金屬小顆粒的堆疊和熔合。打印完成後，清除未熔合的粉末、拋光、清洗、標號、消毒，一段約6.5釐米長、包含2節半椎體、形狀特殊的網格狀中空人工鈦合金頸椎出現在眼前（圖4）。個性化定製的頸椎假體完工後又在頸椎3D打印模型上進行了反覆的模擬安裝。
圖4 ① 第1~6頸椎巨大腫瘤；②在3D打印標本上設計手術切除範圍；③ 3D打印定製假體的設計、製作與試安裝；④術後X線片；⑤ 術後一年半，在遠洋船上擔任船工
二期手術中，在與神經外科共同完成腫瘤清掃後，趙傑教授為小彭植入了這段跨越3個椎體的定製頸椎假體，隨後由口腔頜面外科醫師負責在這段人工椎體上覆蓋肌瓣，保護咽後壁組織。這次手術耗時17個小時，獲得圓滿成功。
手術後小彭的四肢感覺和肌力改善，術後2周就可以佩戴頭頸胸石膏下地行走，術後3周順利出院。術後3個月，小彭再次返院複查，CT檢查顯示，3D打印的人工椎體已經與周圍骨質完全融為一體，磁共振檢查顯示，小彭的頸部無腫瘤殘留及復發。術後一年半，小彭已在遠洋輪上擔任船工。
這個病例顯示了3D打印技術在脊柱外科領域的突破：除製作模型用於確定切除範圍、設計假體和模擬手術之外，更能一步到位直接打印出所需假體並保證術中順利植入人體，實現完美的解剖重建。為高難度、高風險的複雜脊柱修復重建提供了一個新範例。
3D打印醫學應用的發展和延伸
上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院於上世紀80年代後期開始與上海交通大學機械工程系合作，將3D打印技術應用於骨科個性化植入物開發領域，早期應用為製造醫療模型、在模型上進行假體設計、手術規劃和在模型上進行假體模擬安裝演練等，而最終的假體仍然依靠常規機械。
隨著金屬3D打印技術的發展，上海九院對金屬3D打印直接製造植入物進行了大量試驗研究，驗證了3D打印鈦結構的力學性能、多孔鈦結構的骨整合效果，並找到了最適合骨生長的孔隙率。
2014年，上海九院添置了金屬3D打印機，從而實現在3D打印病模型、手術導板的基礎上，又使用金屬3D打印技術直接打印出精確設計的假體，一氣完成了骨與關節病變精確切除、假體精確設計、製作、安裝的全過程。實現了個性化假體在形態、力學、生物學三方面的適配。在這些病例中，九院採用了三位一體的3D打印應用模式，3D打印技術被用於製造1:1醫療解剖模型、3D打印導板，以及個性化金屬假體的直接製造。
此後，上海九院在髖關節、膝關節、腕關節、踝關節、胸骨等複雜骨科手術中又多次應用了3D打印的個性化金屬植入物，並向口腔科、眼科、整形科、神經外科、耳鼻喉科等擴大應用。通過多年的研究與應用實踐，上海九院和上海交通大學合作培養了大量醫工交互的人才，形成了“醫工合作”個性化治療團隊，成立了接診中心、生產與後處理中心。
九院歷來重視國際前沿技術醫學應用與臨床轉化，在醫學3D打印技術、組織工程、幹細胞等領域以及這些技術的整合應用方面，一直處於國際先進，部分國際領先的水平。2013年，成立醫學3D打印創新研究中心，重點圍繞醫學3D打印技術進行研發和轉化，以建設成為一個“醫工結合”、為臨床醫生和患者服務的創新醫療器械和技術研發中心和臨床轉化平臺。隨後，在戴尅戎院士和郝永強教授帶領下，中心以臨床需求為導向、快速實現臨床轉化為宗旨，秉承數字化、個體化、精準化和網絡化的先進醫療理念，建成國內一流的3D打印醫工交叉研發基地、醫學應用示範基地、科研成果轉化、學術交流、人才培養基地。
戴尅戎院士團隊利用醫學3D打印技術製備的個性化術前模型、手術導板和植入體”三位一體”實現了骨腫瘤的精準切除和個性化功能重建，使得該領域的臨床技術達到國際領先水平。
戴尅戎院士認為，結合組織工程技術的生物打印是3D打印技術未來發展的下一個重要方向。實際上，戴尅戎團隊已在這一領域進行了近十年的努力，已 “打印”出具有活性的股骨頭和關節軟骨，並在動物實驗中取得活體移植的初步成功（圖五）。
圖5① 3D生物打印羊股骨頭，在體培養10周後；②組織切片顯示打印的股骨頭軟骨層與軟骨下骨生長良好
戴尅戎院士表示，如果在打印材料中加入幹細胞和相應的生長因子，打印出的產品能發育成為具有生物活性的組織甚至臟器，例如皮膚、角膜、支氣管、膀胱、肝臟、腎臟、骨、軟骨……等等，將為再生醫學和藥物篩選的發展作出不可估量的貢獻。
來源：上海第九人民醫院
