摘要：钛及其合金因其高比强度、热强度、抗蚀性和低温性能，长期以来被认为是生物医学植入物的首选材料。目前，钛合金3D打印技术已被广泛应用于医疗、模具等领域。金属3D打印被应用于制造骨科植入物的主要目的是模仿骨骼的复杂结构，以增加植入物的骨整合。
3D打印，又称增材制造，传统的制造方式被称为减材制造。近十年来，3D打印技术与金属晶格结构的结合受到越来越多的关注，尤其在医疗植入物制造领域。
钛及其合金因其高比强度、热强度、抗蚀性和低温性能，长期以来被认为是生物医学植入物的首选材料。目前，钛合金3D打印技术已被广泛应用于医疗、模具等领域。金属3D打印被应用于制造骨科植入物的主要目的是模仿骨骼的复杂结构，以增加植入物的骨整合。
然而，钛合金也面临一个挑战：应力屏蔽——由于骨骼和植入物的弹性模量不匹配，临床上经常会出现应力屏蔽，从而导致植入物失效或植入物周围组织的骨折。
01
四周骨形成率达22.1%，NanoHive专注生物活性钛脊柱融合
NanoHive Medical（以下简称为NanoHive）是一家3D打印脊柱体间植入物和器械的开发商，致力于解决脊柱融合中生物活性钛设备面临的挑战，由HD LifeSciences2014年在美国马萨诸塞州波士顿成立。2021年，更名为NanoHive，以推动其Hive™椎间融合设备产品组合开发和商业化合作。
NanoHive的创始人兼首席技术官Ian Helmar在公司发展中扮演了重要角色。Ian毕业于美国第一所理工科学院伦斯勒理工学院机械工程专业，后在脊柱市场拥有超过10年的项目经验，专注于设计复杂的器械和3D打印脊柱植入物。
自2016年以来，他一直担任NanoHive研发部门的负责人，领导所有产品线的开发。他开发的专有菱形十二面体仿生晶格结构，是NanoHive椎间融合设备产品组合的基础。这种结构通过优化的孔隙率和强度平衡，能够有效支持生物力学负载，同时促进骨骼向内生长，减少应力屏蔽效应。
与市面上大多数钛脊柱植入物相比，Hive™生物活性钛椎间装置具有3D打印钛脊柱植入物的几乎“所有优点”。NanoHive的脊柱融合其Soft Titanium技术(以下简称软钛）降低了植入物的刚度，使其可与PEEK（聚醚醚酮）相媲美，同时提供与骨骼类似的承载强度。
除了降低刚度和提供承载强度外，Hive™装置的晶格结构还采用了仿人体松质骨的设计，其孔隙率达70%。由于人体的脊柱锥体主要由皮质骨和松质骨组成，且松质骨的结构较为疏松，孔隙率在75%-90%之间，越靠近该孔隙率将会具备较高的骨生成和血管形成能力。据NanoHive，借助3D打印和软钛技术，仿松质骨的晶格结构能够在体内充满自体移植物之前就促进骨骼生长，4周时的体积骨形成率可达22.1%，显著高于PEEK材料的8.9% 。
另外，3D打印椎间融合器的一项重要工艺就是表面粗糙化技术。它能显著增强融合器与椎体终板的摩擦力和贴合度，从而提高初始稳定性，减少移位和沉降风险。NanoHive的脊柱植入物表面具有高度特异性的亚微米特征，这些特征在分子水平上与细胞相互作用，促进成骨细胞粘附和增殖，驱动骨骼的附着和形成。与未处理的表面相比，这种复杂表面能够增加成骨细胞的附集和增殖，并在终板和整个晶格处实现快速骨附着。
而晶格结构的复杂性往往还能为零件提供更多曲面，从而更有效地促进宿主骨组织和种植体之间的整合。软钛晶格的设计还可提供20倍的表面积，在宿主骨界面的生长过程中能更快地实现种植体的稳定性。
在成像质量方面，低密度的软钛晶格结构在X射线下清晰可见，CT扫描散射较少，MRI伪影也有所减少。这有利于医生在术中和术后观察融合器，评估脊柱与植入物植入及融合情况。
02
自研系统进入FDA加速通道，产品覆盖超900万人
为适应复杂多变的临床环境，基于Soft Titanium技术平台，NanoHive还设计了各种尺寸规格的HiveTM椎间融合器，以满足前入路椎间融合术（ALIF）、经椎间孔入路椎间融合术（TLIF）、后入路椎间融合术（PLIF）等多种手术方式的需要，包括HiveTMC、TL&PL、AL、AL独立椎间系统。其中，前腰椎椎间融合器采用了独立的ALIF（前入路椎间融合术）系统和AL椎体系统，旨在提供脊椎间的支持和提高稳定性。
AL椎间系统：独立端板设计；承重晶格芯；可选植入物尺寸和脊柱前凸角度；专利骨移植注射通道；安全的插入器-植入物连接，适合直接和倾斜插入。
独立式ALIF系统：减少的实心钛结构元件；最大化多孔晶格；骨移植注射通道；侵入性接骨螺钉；流线型器械；固定挡板以防止螺钉脱落；可选植入物尺寸和脊柱前凸角度。
后腰椎椎间融合采用Hive PL&TL椎间系统：提供 PL（直线）和 TL（曲面）选项；PL 系统配套工具和融合器设计允许原位旋转；多种尺寸和接触面积，包括宽、长和超前凸型产品；承重点重堆芯为独立端板提供支撑，从而减少了对应力屏蔽设计功能的需求；子弹状分裂尖端利于插入，同时防止应力屏蔽效应。
对于颈椎椎间融合，NanoHive提供了Hive™ C椎间系统和Hive™独立式颈椎系统。
Hive™C椎间系统：无坚固的钛结构钢板，最低刚度椎间融合器，降低下沉风险，增加结构上的自然载荷；可选植入物尺寸；流线型器械。
颈椎椎间融合器 图源：NanoHive官网
值得一提的是，颈椎椎间融合的Hive™独立式颈椎系统于2023年1月，获得FDA的510（k）批准。该系统采用了可旋转和调节前板的电镀结构，结合了零剖面设计，有效减少了对血管和附件的干扰，整体造型呈流线型，更贴合人体颈椎的自然形态。此外，其螺钉的插入角度可灵活变化，便于在体内进行精准植入。系统选用的晶格结构具有低刚度和低密度的特点，能够有效减少应力屏蔽，促进骨组织的生长和融合。而且，Hive™独立式颈椎系统还配备了带有触觉反馈的一步式螺钉锁定盖，不仅能简化手术操作流程，还可以进一步提高了手术的安全性和稳定性。
2023年4月，NanoHive与美国退伍军人事务部（VA）达成合作，其全系列HiveTM椎间体产品将供应于美国退伍军人医疗保健系统（VHA）。VA是美国最大的医疗保健系统，为超过900万名退伍军人提供服务。
接着，在2024年8月，NanoHive完成700万美元（约合4900万人民币）的C轮融资。据悉，这笔资金将被用于进一步完善其软钛脊柱椎间融合器产品组合。
03
多家MNC涌入，3D打印医疗市场将达106.5亿美元
据The Insight Partners，3D 打印医疗设备市场规模预计将从2023年的29.3亿美元增至 2031年的106.5亿美元。预计2023-2031年期间市场复合年增长率将达到17.5%。
3D打印脊柱植入物市场潜力巨大，目前已有包括强生、美敦力、史塞克等MNC通过收并购、自主研发等方式先后杀入这一市场。
美敦力是这个市场最早的探索者之一。2018年，美敦力推出钛脊柱植入物3D打印平台ARTiC-L脊柱系统以及TiONIC 3D打印技术，并利用该技术制造了新型TiONIC钛金属3D打印脊柱植入物ARTiC-L。该植入物由钛制成，提供多达20度的前凸角度以促进脊柱矢状对齐。据Spine Market Group报告，2023年美敦力依然保持脊柱市场的龙头地位，占24%市场份额。
国内在3D打印骨科植入物领域虽然起步较晚，但近年来在政策和市场推动下发展迅速。
2018年，3D打印技术被列入“十三五”国家重点研发计划支持的重大专项之一，并明确指出3D打印技术在医用方面的前景和市场。紧接着，在2021年，工信部、发改委等8部门联合印发《“十四五”智能制造发展规划》，将3D打印作为智能制造的重要组成部分。
2021年2月，湖南华翔增量制造股份有限公司和南华大学附属第一医院脊柱外科团队联合研发的多孔型椎体融合器通过国家药品监督管理局（NMPA）审批，成为国内首家将选区激光熔融技术（SLM）应用于3D打印医疗产业化的企业。
随后，多家自主研发该领域的企业相继推出产品并获批上市。其中，诺普再生在2024年3月完成了其研发和制造的3D打印再生骨移植物NPPM-01的注册临床试验入组。这标志着我国首个完全自主研发的生物3D打印再生骨移植物的诞生，也是继2023年10月美国FDA批准的首个3D打印合成骨移植物CMFlex™之后的又一临床突破进展。NPPM-01的出现，不仅展现了生物仿生材料、组织再生支架设计和3D打印精密制造技术结合的全新疗法价值，还预示着我国在生物3D打印技术领域的重大进步。
据动脉网不完全统计，截至目前，国内已有7款3D打印医疗产品获得NMPA批准。随着政策支持和市场需求增长，未来，还将有更多3D打印医疗产品有望获批上市。
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来源：阿晶科技时代