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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Améliorez l'efficacité-à court et à long terme
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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
Les grands défauts osseux segmentaires dus à un traumatisme, une infection ou une résection tumorale ont toujours été un problème clinique difficile. Environ 5 à 10 % des fractures présentent un retard de consolidation ou une pseudarthrose, et presque toutes les pertes osseuses segmentaires entraînent une pseudarthrose. Dans le monde, plus de 2,2 millions de greffes osseuses sont réalisées chaque année pour traiter les défauts osseux en orthopédie, neurochirurgie et dentisterie.
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.
Cependant, la pratique clinique montre que ces traitements ne sont pas idéaux et parfois même peu fiables. Le transport osseux à travers la procédure d'Ilizarov prend généralement plusieurs mois pour guérir, période pendant laquelle le patient est incapable de se déplacer normalement. Cette méthode est encore moins susceptible d'être utilisée pour le traitement des défauts squelettiques multi-segmentaires de la colonne vertébrale. La technique de Masquelet et la méthode de greffe osseuse corticale vascularisée autologue permettent d'améliorer la fusion osseuse, mais il est difficile d'obtenir une stabilisation postopératoire immédiate. En raison du besoin d'une grande quantité d'os allogénique/autologue comme matériau de greffe osseuse, un retrait osseux chirurgical supplémentaire (tel que le retrait de l'os iliaque) est souvent nécessaire. La méthode d'implantation du treillis en titane dans la zone du défaut osseux offre une commodité pour l'application de divers matériaux de greffe dans une certaine mesure, mais son effet de fixation est limité et présente également les inconvénients d'un desserrage, d'un affaissement ou d'un déplacement facile. En effet, des techniques comme Ilizarov et Masquelet sont également difficiles à appliquer dans certains sites de dissociation, comme la métaphyse.
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.
bloc 3D imprime des implants en titane poreux
"Implant-bone" interface fusion
Par rapport aux méthodes-mentionnées ci-dessus qui nécessitent une grande quantité de remplissage osseux allogénique/autologue, l'application d'implants en alliage de titane poreux imprimés en 3D-pour réparer et reconstruire les défauts osseux semble avoir des avantages évidents. Premièrement, les implants peuvent être personnalisés avec précision en fonction de la forme du défaut osseux, sans avoir besoin de greffe osseuse ; de plus, selon les avantages de la prothèse métallique, un dispositif de fixation peut être conçu pour obtenir une stabilisation immédiate entre l'implant et les os adjacents, de sorte que le patient puisse se lever tôt après l'intervention ; Caractéristiques structurelles poreuses, attirant le tissu osseux adjacent pour qu'il s'y développe et réalise enfin une fusion permanente de l'interface osseuse de l'implant-.
Figure 1. Analyse radiologique et biomécanique d'implants Ti6A14V poreux imprimés en 3D pour reconstruire un défaut fémoral de 4 cm. (A) Images de rayons X- à 1, 3 et 6 mois après l'implantation (i-iii) Images de tomodensitométrie à 1, 3 et 6 mois après l'implantation (iv-vi) . Les flèches bleues indiquent l'os nouvellement formé sur le site du défaut ou sur la surface externe de l'implant. (vii) Score radiologique de chaque groupe. (n=4) (B) Images de reconstruction 3D MicroCT (i-iii) des groupes 1, 3 et 6 mois après le sacrifice (le gris indique un alliage de titane, le vert indique un nouvel os). (iv) Résultats quantitatifs de la fraction de volume osseux dans les régions péri-implant et -foram de chaque groupe (n=4).
Cependant, l'effet thérapeutique clinique de l'utilisation d'implants poreux imprimés en 3D pour réparer les défauts osseux (en particulier les gros défauts osseux de segment) nécessite non seulement la confirmation des résultats d'observation des cas de suivi-, mais aussi la résultats d'études expérimentales pertinentes sur des animaux comme preuve. À cette fin, l'équipe de recherche a effectué-une exploration et une recherche approfondies et systématiques.
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.
Figure 5. Implant poreux en Ti6Al4V imprimé en 3D-pour reconstruire un défaut fémoral (cas 2). X du défaut fémoral reconstruit de 11 cm immédiatement après la dernière intervention chirurgicale (A) et 2 (B), 5 mois (C), 8 mois (D), 14 mois (E) et 20 mois (F) après l'image de la ligne d'implantation. Les flèches bleues indiquent l'ostéointégration entre l'implant et l'os hôte.
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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