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2018-11-013D列印植入物的外型設計與材料開發
587 期
Author 作者
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（mechanoregulation 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，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）