2018年10月28日

3D列印植入物的外型設計與材料開發

鄒年棣/英國牛津大學工程科學博士,現任職於交大材料系。研究興趣為利用計算力學,探討材料現象與解決各類工程問題。

淺談醫療植入物
植入物是現今常用的醫療器材,例如:椎弓螺釘(pedicle screw)、牙釘或人工髖關節等……。其功能視患者情況,可以做為輔助矯正治療或直接取代人體原有的組織。以脊椎病變治療為例,最關鍵的一環就是在盡量不影響患者活動下,以「椎弓螺釘」穩定脊椎、減少組織壓迫及免除疼痛,進而加強椎骨復原。雖然國內此類療程費用較昂貴且健保不給付,但還是有相當多患者為了生活品質,主動要求此療程。

然而根據臨床追蹤,在植入手術後2年內,約1∕4的患者植入物會鬆脫或斷裂;約1∕2的患者脊椎骨退化。上述問題不僅只發生在椎弓根釘,也經常發生在牙釘或其他植入物上,這是因為一般植入物大多由醫療用不鏽鋼或鈦合金製成。這些材料比骨頭更能承受力量,人體便會誤認該患部不需要太多骨頭支撐,使得該處骨頭自然退化、流失,最終導致植入物鬆脫或歪斜失效。此現象被稱為「應力遮蔽效應(stress shielding effect)」,即骨頭應有的受力被植入物遮蔽掉了。因此,為使骨頭受力狀況在健康範圍內、延長植入物使用期限,便必須要降低應力遮蔽效應。

避免身體的誤判,
降低「應力遮蔽效應」
一般來說,改變植入物外型使其承受力量的能力降低,是避免應力遮蔽效應最直覺的作法,如將植入物做成中空或具有孔洞、凹槽的結構。然而,這些複雜的外型很難用傳統工法切削製成,故傳統植入物外型設計受到限制,也難以避免應力遮蔽效應。

近年來,有「積層製造」之稱的3D列印(additive manufacturing)技術日趨成熟。3D列印機可直接讀取電腦的3D圖檔(最常見的檔案類型為STL檔),並依照3D圖檔所描述的形狀的截面,讓材料一層一層地成形,最後得出整個立體物件。這種疊加過程,讓上述的中空、孔洞和凹洞等特殊結構變成了可能。

植入物特殊的外型設計,如孔洞數量多寡、凹洞深淺等,該如何決定呢?事實上,骨頭的密度、強度等性質會依據患者的健康狀況、年紀和生活習慣有所差異,且植入物在身體的不同位置,受力狀況也會不同。因此,外型設計需要依據患者與部位的條件來變動,亦即每一根植入物理應要長得不一樣。這種「客製化」設計正好是3D列印工法的優勢,植入物設計者只要修正3D圖檔,理論上只要3D列印機精度夠高,就可以將新設計好的植入物印製出來。在現今高齡化且重視保健的氛圍下,客製化、高單價的醫療元件需求必將快速成長,而發展3D列印技術,使其可實際在臨床上使用,將是醫療植入物升級的關鍵。

接下來,筆者將介紹近年參與的相關研究,主要著重在「植入物外型的數位設計」與「植入物新材料的開發」兩大方面。

植入物外型的數位設計
Part 1──
植入物周圍骨骼生長預測
傳統植入物外型通常採用「試誤法(trial and error)」進行設計,也就是只要有新的外型設計就製作出來,再個別進行整套力學測試、動物實驗等,最後淘汰表現差的,留下最好的設計。這種方法雖堪用,但成本高、耗時,亦難免犧牲較多動物。近來,材料與生物力學理論逐漸成熟,電腦計算效率也愈來愈高,許多研究者開始利用程式語言在電腦中架構出虛擬模型,藉此預測植入物周圍骨骼的生長狀況。雖然虛擬模型經過簡化,無法面面俱到地考慮真實動物骨骼生長的所有影響因素,但仍然可以推估其生長趨勢,並給予植入物設計建議。

目前常用來模擬受力狀況下骨骼癒合
的計算法──「機械調節法(mechano-regulation approach)」,是科學家觀察許多動物實驗結果與多年科學文獻經驗累積而得來的。一般來說,手術完成後植入物周圍會填滿受傷的血塊、骨痂(osteotylus)。骨痂部分未來會逐漸癒合並轉變成軟骨、不成熟骨、成熟骨或退化消散。此計算理論認為,骨痂在復原過程的「變形量」與「體液流速」為重要刺激因子,兩者加權疊加後的「總刺激因子」值,將決定骨痂轉變的結果。值愈小,骨痂最後會退化消散;值愈大,會變成軟骨;值在適中大小,會變為成熟骨。

Part 2──
簡化版植入物模型
了解上述的骨生長機制後,便可以在電腦中建造出簡化的骨骼與植入物的模型(這裡以牙釘為例),圖一為示意圖。在模型中,骨骼概略分為密質骨(cortical bone)、鬆質骨(cancellous bone)和骨痂3種材質,而植入物的材質則為鈦合金。這些材質承受力量的能力,可利用以標準科學方法量測出來的「材料參數」來代表,透過固體、流體力學理論並搭配程式,計算出每個位置的變形、受力狀況與體液流速,以推得每個位置的骨痂將要往哪一種組織轉變。

圖一:簡化的骨骼與牙植入物的模型示意圖。(作者提供)

然而,組織轉變是漸進的。當每個位置的骨痂開始轉變成不同組織,其材料參數、受力狀況也同時改變,進而改變刺激因子,也影響下一個時間點骨痂轉變的趨勢。這種演變過程會影響最後結果的複雜機制,使得程式必須計算每一個時間步階的資訊,並即時更新模型內每個位置的材料參數,以慢慢推得最終骨骼生長結果。

Part 3──
來比對一番吧!
圖二a是典型牙植入物周圍骨骼生長歷程模擬結果的其中一段。我們可以觀察到植入手術後第2天,植入物螺紋尖端附近的骨痂趨向成長為不成熟骨,而螺紋底部趨向成熟骨(圖中的顏色僅代表骨痂的材料性質將朝該類型的組織發展,並不是指手術後第2天就已經長出很多成熟骨)。隨著時間推進,愈來愈多骨痂傾向轉變為成熟骨,但也造成植入物螺紋深處位置的骨痂受力變小,刺激減小,因此在第35天時,該部位發生骨退化、消散。......【更多內容請閱讀科學月刊第587期】


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