在医疗3D打印领域，一个简单的理念位于现代骨科植入物设计的核心：最好的植入物是身体忘记其存在的那个。不是最强壮的，也不是最坚硬的，而是能够充分恢复功能，让骨骼像什么都没发生一样在其周围生长。对于一个工程问题来说，这是一个看似简单的目标，但对于从事3D打印钛合金植入物设计的工程师而言，它已成为他们最受挫的渴望。

在我们的AMA: Healthcare 2025线上活动中提出这一观点的，是Not a Robot Engineering的创始人Matthew Shomper。他是一名拥有超过15年骨科经验的工程师，用他自己的话说，工作范围“从后脑勺到尾骨尖”。他曾为美国食品药品监督管理局（FDA）在增材制造领域内超过几十份510(k)医疗器械上市前通知提供支持，并曾为多家骨科公司（尤其是脊柱领域）提供3D打印设计方向咨询。

骨骼生物学如何决定植入物成败

问题始于生物学。骨骼对载荷有反应。Julius Wolff在19世纪阐述了这一点，Harold Frost在20世纪60年代将其扩展为力学稳态定理。Shomper总结说，这个定理比大多数人认知的版本更为微妙。“不一定只是‘有载荷就好，没载荷就坏’，”他说。存在一个范围，在这个范围内骨骼会积极生长，超出范围则会吸收。当植入物打破这个范围时，临床麻烦就开始了。

当外科医生将金属植入物插入关节或脊柱节段时，它会吸收骨骼原本要承受的机械载荷。骨骼将此解读为自己不再被需要的信号，并开始吸收。“即使是低至百分之一的循环骨应力，也会随着时间的推移造成可测量的差异，”Shomper说，“如果植入物的刚度与骨骼不完全相同，并且有轻微变化，就会对应力遮挡产生深远影响。”吸收的骨骼退缩，微动增加，最终植入物松动。这就是无菌性松动，一个在髋、膝和脊柱手术中非常巨大且基本未解决的问题。

有一段时间，钛合金3D打印似乎提供了一条出路。钛合金具有成骨性。正如Shomper所说，“骨骼非常喜欢它，会向它里面生长，会附着在它上面，会穿透它生长”，但实心钛合金植入物非常坚硬，远硬于骨骼。21世纪初出现的PEEK塑料在刚度上更接近皮质骨，但缺乏类似的成骨特性。钛合金点阵结构承诺了两者兼备：生物相容性和可调刚度。设计师开始生产声称模量值为1-5 GPa的小梁结构，与皮质骨和小梁骨的范围相当。

问题在于，这些说法经不起物理测试。“点阵轮廓的刚度可能确实那么低，”Shomper说，“但当你测试整个植入物及其周围所有实心结构时，它们的刚度会急剧增加。”生物学并没有得到满足。Shomper认为，没人能解决这个问题的原因，归结于监管框架。

当基准线追溯到五十年前

FDA通过证明设备与已上市设备实质性等同来清关设备。新设备必须达到的强度阈值，通过一条不间断的前代设备链，追溯到1976年5月28日之前合法上市的器械。“基本上，”Shomper说，“最初的强度标准是针对五十年前在市场上的设备。”五十年前的脊柱外科，最先进的技术是在椎骨之间放置金属球体，然后收工。

提交的腰椎椎间融合装置的中位压缩力约为22,000 N。正常行走时临床相关的腰椎载荷约为500 N，峰值可能达到约1,500。“你可以看到差异，”Shomper说，“22,000对比500，相差四十倍。”

现在每个新设备都必须匹配或超越其前代设备，这意味着更多的材料、更高的刚度，并加剧了设计本应解决的应力遮挡问题。“设计这类功能性结构基本上，”他说，“随着你变得更强，你会变得更硬，这只是物理规律。”高刚度与下沉和融合失败相关，而强度不足则会导致断裂。“你不能一路走到低端，”他说。没有干净的出路能摆脱这个困境。

最令他沮丧的是，临床结果并未改善。“我们说好吧，我们有了这些更好的设备，现在我们正在实施患者个性化方案，实施机器人导板、手术规划，”他说，“但自这项新技术问世以来的过去十年左右，翻修率基本保持稳定。”

Shomper概述的第一条路径是更早地与FDA沟通，这是许多公司从未想到要做的。“如果你在向FDA提交所有数据之前有问题，FDA非常乐意并且通常非常有帮助，”他说，并且预提交会议是免费的。其次，公司可以直接去了解是否适用突破性设备认定。最后，最困难的途径是对那些缺乏临床依据的测试要求提出反对意见。他描述了一次最近的申诉，FDA要求的强度指标他和公司都认为“毫无意义，[因为]没有理由以这种方式测试设备，这在临床上不相关。”他们赢了，但他对此评价中肯。“FDA通过的申诉比例远低于提交的数量，”他说。

更长期的答案要求行业和监管机构在提交申请之前就坐到一起。他指出了北美脊柱学会（NASS）内部正在努力建立这种论坛的努力。他指出，FDA通常会参与标准委员会以帮助制定新兴指南，同时也会积极征求行业对各类主题的建议和反馈。Shomper强调，虽然这种沟通渠道存在，但大多数公司只是选择不加以利用。

在这一切中，Shomper很小心地没有将FDA视为障碍。“我真的认为FDA，特别是对于骨科设备，推进了3D打印的技术水平。他们做得很好。” Shomper补充说，“他们被繁文缛节束缚，这限制了他们的快速反应和适应这些新技术的能力。”工程师们理解骨骼的需求。监管者们理解规则的要求。在这两个立场之间的某个空间里，那个身体本应忘记的植入物，变得越来越硬。