颞下颌关节病患者的福音！异种材料连接技术的创新应用

上海交通大学材料学院陈科副教授研究团队创新异种材料连接领域前沿技术，为颞下颌关节疾病患者带来福音。近期，上海交通大学医学院附属第九人民医院（以下简称九院）口腔外科张善勇教授顺利完成了第八例个性化全颞下颌关节假体临床植入手术，成功帮助62岁的女患者不再遭受数十年的关节区疼痛及张口受限的困扰。一系列手术的成功体现了临床医学与材料科学新技术的完美结合。

图1 材料学院和九院科研团队合影

在开发中国首款自主设计个性化颞下颌关节假体的过程中，研究的重点和难点在于钛合金与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）这两个关键部件的连接。由于UHMWPE和钛合金之间存在巨大物理化学性质差异，现有技术无法实现两者的有效连接，接头强度不能满足实际应用。为了解决这个技术难题，交大材料学院研究团队与九院口腔外科于2015年开始了合作，在口腔外科杨驰主任的支持下，与张善勇教授科研团队专攻金属非金属一体式个性化人工关节假体的设计及加工，和临床初步应用。陈科副教授团队在金属与高分子的先进连接方面已有多年的研究经验，在项目中承担钛合金与UHMWPE的连接研究。研究团队另辟蹊径，通过3D打印的方式在钛合金表面制作复杂的多孔结构（如图3所示），将高分子在高温下熔融流入多孔结构中，冷却之后通过材料间宏微观的“咬合”作用形成强有力的接头。按照事先对病人颌面部的CT扫描三维图像，应用金属3D打印技术将生物医用的钛合金粉末在三维空间内层层堆积形成尺寸精确的打印实体，误差可以控制在100微米左右，仅稍大于头发丝的直径（约80微米）。仰赖于3D打印技术，金属表面复杂细小的多孔结构也能如实呈现。

图2 国产个性化全颞下颌关节假体（1-生物医用钛合金；2-超高分子量聚乙烯）

图3 假体钛合金部分3D打印结构模型

图4 多孔结构单元图

在此基础之上，陈科副教授团队选用摩擦焊连接的方法，研究了各种3D打印多孔尺寸的连接效果与连接工艺参数，将假体的钛合金部分与高分子部分小心地连接在一起。接头部分的UHMWPE将钛合金的多孔区域完整填充，同时成功避免了其在过高温度下分解的问题。对于成品个性化假体接头，测试后的连接强度已经达到了4000N，远远超过国际先进标准（1700N）的连接强度。这样的强度相当于拳王泰森出拳时瞬间冲击力的三倍，已可完全胜任颞下颌关节的日常活动，几乎没有使用风险。

据张善勇教授介绍，颞下颌关节（如图5所示）是人体唯一的左右双侧联动关节，也是人体内最复杂的关节，随着人的咀嚼与说话动作，它既需滑动也要不断转动，每天运动超过3000次。颞下颌关节疾病是非常常见且多发的疾病，主要表现为关节区疼痛、张口受限、咬合错乱等一系列症状。发展严重者，更会导致骨关节病、粉碎性髁突骨折和需要切除的关节区肿瘤等，不仅令患者生活受到巨大影响，严重时甚至危及生命。

图5 人颞下颌关节图示

人工假体置换是目前重建颞下颌关节的最有效方法。据文献报道，中国每年预计有高达2万侧以上的病人需要手术置换颞下颌关节。然而，针对这一广泛而复杂的病症，国内却没有很成熟的解决方案。国际上目前主要有两款成熟的全颞下颌关节假体。其中，一款标准型人工关节专为欧美人颌面部特征设计，与亚洲人面部结构有明显差别，手术中需要大量磨骨来适应假体，令患者承受不必要的痛苦；另一款个性化人工关节假体虽是可以按照患者颌骨结构个性化定制，但其价格极为昂贵（人民币15万元/侧关节），生产周期很长，同时在中国缺乏注册证无法应用于临床。

 因此，考虑到国内广大饱受颞下颌关节疾病之苦的患者就医难、就医贵的难题，陈科副教授团队与九院合作开发的这款属于国内自主知识产权、治疗成本更低（预期价格人民币5万元/侧关节）的个性化全颞下颌关节假体意义重大。经过几年的研究探索，决定使用钛合金与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）两种材料制造关节假体。钛合金有优良的骨结合性能（骨骼组织能够在材料表面生长）且没有生物毒性，是一种适合用于与骨面接触的材料；而UHMWPE作为广泛应用于生物假体的高分子材料，有很好的润滑性与耐磨性能，适宜作为关节窝材料与髁突头频繁接触摩擦。经过设计后的假体各部分如图6所示。

图6 假体的基本组成（1-下颌升支固位假体；2-髁突头假体；3-关节窝基部假体；4-关节窝窝部假体）

目前此款国产个性化假体已经进行了小样本的临床试验，且已形成了一套完善的设计-连接-加工-检测-临床手术的标准化流程。在临床植入中成功应用八例，且术后患者情况良好，没有不良反应。同时，在杨驰主任的领导下，九院口腔外科正牵头在国内率先制定个性化颞下颌关节假体的团体标准。标准完善之后，此款假体将作为国内首款个性化金属非金属一体式全颞下颌关节假体在中国广泛应用，造福广大颞下颌关节疾病患者。这款个性化关节假体的成功应用也证明了材料科学的先进技术与临床医学的结合能取得1+1>2的好结果，是上海交通大学鼓励的“医工交叉”理念的极好案例。