圖為3D打印機(jī)

    19歲的強(qiáng)強(qiáng)曾一度喪失了生活的勇氣。他患了一種十分罕見(jiàn)的代謝類疾病“下頜溶骨癥”，下頜骨逐漸被自體溶解吸收，下巴越來(lái)越小，臉部漸漸變形，吃飯、說(shuō)話都成了問(wèn)題。這種病全世界僅百余例?；疾〉膹?qiáng)強(qiáng)越來(lái)越自卑，不敢見(jiàn)人，甚至有了輕生的念頭。

    西安交大機(jī)械學(xué)院李滌塵教授課題組利用3D打印技術(shù)為強(qiáng)強(qiáng)量身定制了新的下頜骨——用他的腓骨作為下頜體部材料，支架與植骨相結(jié)合，順利恢復(fù)了強(qiáng)強(qiáng)的面部外形，解決了強(qiáng)強(qiáng)的煩惱，笑容和自信又重新回到這個(gè)年輕小伙的身上。

    像強(qiáng)強(qiáng)這樣的顱頜面骨缺損患者在我國(guó)每年超過(guò)300多萬(wàn)，大多因創(chuàng)傷、病變、車禍造成。他們面部形態(tài)被改變，咀嚼、發(fā)聲困難，甚至視覺(jué)和腦部功能也受到影響。李滌塵教授課題組發(fā)明的“個(gè)性化顱頜面骨替代物設(shè)計(jì)制造技術(shù)”為這些患者帶來(lái)了福音。這項(xiàng)成果的個(gè)性化替代物產(chǎn)品、制造設(shè)備、手術(shù)器具銷往上百家醫(yī)療機(jī)構(gòu)和制造單位，臨床案例超過(guò)1.1萬(wàn)，近三年累計(jì)銷售額達(dá)1.14億元。1月9日，這項(xiàng)成果獲得了2014年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

      骨替代物是骨缺損修復(fù)的關(guān)鍵產(chǎn)品。顱頜面骨形狀復(fù)雜，缺損個(gè)體差異大，需要根據(jù)具體缺損情況個(gè)體化制作。傳統(tǒng)的顱頜面骨修復(fù)往往取決于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)：手術(shù)切開(kāi)組織后，臨床醫(yī)生將通用鈦板或鈦網(wǎng)手工彎制成形，手術(shù)耗時(shí)長(zhǎng)，手術(shù)效果難以達(dá)到最佳。

尋找3D打印與顱頜面外科的交叉點(diǎn)，西安交通大學(xué)李滌塵教授課題組面臨三大難題：一是外形難以與原有骨結(jié)構(gòu)一致，手工塑性不好會(huì)使面部變形，影響心理康復(fù)；二是力學(xué)功能難以控制，手工彎制強(qiáng)度過(guò)低材料易斷裂，剛度過(guò)高則造成應(yīng)力屏蔽；三是替代物沒(méi)有骨再生功能。通過(guò)反復(fù)比對(duì)，課題組瞄準(zhǔn)了從傳統(tǒng)機(jī)械制造向生物與仿生制造發(fā)展的前沿方向，以患者醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)3D打印，手術(shù)前即制作好滿足臨床要求的個(gè)性化骨替代物，保證骨修復(fù)的快速和準(zhǔn)確。

      科研人員通過(guò)鏡像變換、布爾運(yùn)算和相似性匹配為患者量身設(shè)計(jì)個(gè)性化替代物外形結(jié)構(gòu)，并對(duì)替代物板孔分布進(jìn)行快速個(gè)體定制設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使新骨處于骨生長(zhǎng)最佳應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，保證了外形與原有骨結(jié)構(gòu)的一致性。他們還發(fā)明了替代物的快速制造方法，以光固化快速精密鑄造為主，結(jié)合快速原型模板復(fù)形和鈦合金激光直接成形，比手工彎制精度提高10 倍以上，力學(xué)性能和化學(xué)成分均滿足國(guó)家與醫(yī)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。基于原創(chuàng)基礎(chǔ)理論的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，不僅實(shí)現(xiàn)了形態(tài)的個(gè)體適配，還解決了力學(xué)性能的個(gè)性化適配，攻克了應(yīng)力屏蔽導(dǎo)致的骨萎縮難題。

      如何實(shí)現(xiàn)骨再生？西安交大李滌塵教授課題組將個(gè)性化鈦替代物設(shè)計(jì)成一條仿生通道，結(jié)構(gòu)鏤空，內(nèi)部填充可降解生物陶瓷，并在陶瓷內(nèi)設(shè)置微觀通道結(jié)構(gòu)。他們還發(fā)明了個(gè)性化頜骨牽張器，根據(jù)患者數(shù)據(jù)構(gòu)建空間牽引軌道，制作空間弧形導(dǎo)軌，使?fàn)恳晒桥c患者對(duì)側(cè)下頜骨形態(tài)對(duì)稱，成為患者自體生長(zhǎng)的活性“替代物”。新骨長(zhǎng)自本身骨骼，體內(nèi)最終不留異物，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)牽引軌跡與患者骨骼形狀的個(gè)性化適配，對(duì)于發(fā)育中的青少年通過(guò)牽張修復(fù)缺損具有重要價(jià)值。

      2001年，課題組聯(lián)合西安交大口腔醫(yī)院成功實(shí)施了世界首例3D打印個(gè)性化下頜骨替代物臨床應(yīng)用，比國(guó)外整整早了10年；2006年，率先完成國(guó)際首例個(gè)性上頜骨修復(fù)臨床應(yīng)用；2009年實(shí)施了全國(guó)首例全下頜骨溶解個(gè)性化修復(fù)。李滌塵教授1998年首倡“生物制造”研究，目前課題組的研究范圍已囊括定制化人工假體、骨/軟骨關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)韌帶組織制造，以及細(xì)胞打印、肝組織結(jié)構(gòu)制造、個(gè)體化骨折外固定器及其臨床應(yīng)用等。

      以中國(guó)科學(xué)院熊有倫院士為組長(zhǎng)的國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目驗(yàn)收組，對(duì)資助本項(xiàng)目的“人工骨活化機(jī)理及仿生設(shè)計(jì)制造技術(shù)基礎(chǔ)研究”驗(yàn)收時(shí)評(píng)價(jià)認(rèn)為“該項(xiàng)目是制造學(xué)科與生物醫(yī)學(xué)學(xué)科的深度交叉研究。該項(xiàng)目在這一領(lǐng)域做出了重要探索性貢獻(xiàn)，其研究成果體現(xiàn)了我國(guó)在生物制造目前的學(xué)術(shù)水平和創(chuàng)新貢獻(xiàn)，推動(dòng)了生物制造研究領(lǐng)域的發(fā)展”。邱蔚六院士在綜述論文“口腔頜面修復(fù)重建外科近況”評(píng)價(jià)稱，“這種技術(shù)完全符合‘個(gè)體化’醫(yī)療的現(xiàn)代理念，并促進(jìn)了‘個(gè)體化’修復(fù)外科的發(fā)展。”

      四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院在臨床應(yīng)用后認(rèn)為，此項(xiàng)成果具有精度高、組織相容度高、個(gè)體適配性強(qiáng)、修復(fù)效果好、簡(jiǎn)化手術(shù)過(guò)程和穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)。中山大學(xué)附屬中山醫(yī)院在臨床應(yīng)用后表示，該產(chǎn)品和技術(shù)在實(shí)用性、準(zhǔn)確性、縮短手術(shù)時(shí)間、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及減少手術(shù)醫(yī)生勞動(dòng)強(qiáng)度等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)的臨床應(yīng)用價(jià)值。

      從基礎(chǔ)理論研究到關(guān)鍵技術(shù)發(fā)明，再到系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)并推廣應(yīng)用，李滌塵教授課題組歷時(shí)十余年，有效實(shí)現(xiàn)了顱頜面骨缺損個(gè)性化修復(fù)的數(shù)字化、精確化和大規(guī)模臨床應(yīng)用，將塑形精度提高10倍以上，手術(shù)效率提高80%。此項(xiàng)目共獲授權(quán)發(fā)明專利18項(xiàng)。