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產業技術評析

3D列印骨科植入物市場概況與產品發展趨勢
發表日期:2023-03-08
作者:徐勤禎(工研院)
摘要:
在人口高齡化的趨勢下,相關退化性疾病的患者人數持續增加,加上近年來運動風氣興盛,導致全球每年骨科手術的數量持續增加,骨科治療醫材的需求也逐年攀升,特別是關節或軟骨等骨科植入物,因為可替代、支撐、固定或修補受損的組織,恢復患者的活動能力或減少疼痛感,因此民眾對於各種骨科人工植入物的接受度也越來越高。

全文:

一、3D列印骨科植入物提供個人化精準治療,市場快速成長

在人口高齡化的趨勢下,相關退化性疾病的患者人數持續增加,加上近年來運動風氣興盛,導致全球每年骨科手術的數量持續增加,骨科治療醫材的需求也逐年攀升,特別是關節或軟骨等骨科植入物,因為可替代、支撐、固定或修補受損的組織,恢復患者的活動能力或減少疼痛感,因此民眾對於各種骨科人工植入物的接受度也越來越高。加上新興科技的持續導入,分別在軟體設計、材料組成與製造方法上改良與創新,使得新興骨科產品不斷的推陳出新,以滿足臨床上的醫療需求,提升醫病效率。其中,3D列印技術因為具有快速原型製作與彈性化生產的優點,除可用於印製特殊結構或材料的標準化骨科醫材外,更適合製造依據患者人體解剖結構量身訂做的客製化骨科植入物,提供個人化的精準治療。

個人化(personalized)3D列印骨科植入物可利用MRI核磁共振或是CT電腦斷層掃描產生精確的人體結構量測數據,再透過軟體設計與3D列印機的積層製造(Additive Manufacturing),列印出符合患者個人需求的植入物,可提高植入後治療效果與復原效率。根據Verified Market Research的資料顯示,2020年個人化3D列印骨科植入物市場規模為473.6億美元,預計至2028年將達約692.8億美元,2021-2028年之年複合成長率為4.69%。除了採用不同列印技術的3D列印機外,近年來在列印材料上不斷的改良進步也快速驅動產品的迭代更新,新興奈米材料可讓醫師精密重建符合患者骨骼結構的複製替代品,此外亦增強了植入物表面承重能力,並促進骨整合的效果。目前3D列印骨科植入物依據功能部位主要為髖/膝關節植入物、脊柱植入物、顱頷顏面植入物..等,髖膝關節3D列印植入物市場最大,而脊柱植入物因手術採用率提升,需求也快速成長。

以鈦為主的合金仍是目前3D列印骨科植入物的主流材料,具有生物相容性高、耐腐蝕、抗疲勞與延展性高的特性,原本即常用於傳統製造的骨科植入物中。而近年來聚合物塑料則快速發展,包含生物可降解和輕質強化抗磨損的新興聚合物材料,未來市場上也將開發出更多塑料植入物應用於骨科疾病的治療。相比於傳統骨科植入物的製造,3D列印技術也成為醫材表面改質的利器,藉由精密逐層列印,可列印出高孔隙率的特殊結構,促進植入人體後的骨整合和骨再生。由於上述製造優勢與療效的提升,骨科醫材成為3D列印大廠如(3D Systems、 Stratasys、Envision TEC)產品開發的要項,也成為傳統骨科醫材大廠如爭相藉由收購新創公司布局的重點,如Stryker、Johnson & Johnson、Smith & Nephew和Zimmer Biomet等,加上Medtronic也投入3D骨科醫材列印,皆看好市場未來發展的前景。

二、近期3D列印骨科植入物發展趨勢

(一)多孔性結構金屬植入物

美國骨科植入物醫材廠商NuVasive成立於1997年,2015年起公司開始發展3D列印技術後,即在一年多內將產品由概念推展到商品化,2021年新推出的3D列印鈦金屬植入物Modulus ALIF,具有珊瑚狀的多孔性結構設計,可用於前位椎間融合手術中,特殊螺孔設計可精確放置在兩椎骨間。以往骨科醫師多使用高性能的塑料植入物,同樣具有多孔材質可促進骨整合,但這類植入物的剛性比金屬小。NuVasive的設計平台,可直接設定植入物的重量和多孔性條件,經由軟體運算獲得正確的設計參數,最佳化的孔隙率能促進植入後體內的成骨反應向內生長,而利用鈦金屬列印更接近人體骨骼的表形與硬度,但同時增加了整體表面積和吸收能力,在放射線檢查時穿透性佳、影像顯示效果更清晰。其他公司包含SeaSpine和Orthofix Medical亦於2021年推出了多孔性的鈦金屬3D列印脊柱植入物,而總部位於義大利的Tsunami Medical則自2021年初以來,已推出9款3D列印的鈦金屬植入醫材。
 

圖1 3D列印Modulus ALIF椎間融合植入物

資料來源:Nuvasive公司官網(2022/11)
圖1 3D列印Modulus ALIF椎間融合植入物
 

而在大廠布局方面,2020年骨科醫材公司Stryker收購了美國上市醫材公司Wright Medical Group,Stryker是3D列印脊柱和膝關節植入物的領導者,而Wright Medical則互補擴充了其創傷和四肢的產品組合和客戶群,該公司在上肢(肩、肘、腕和手部)和下肢(足部和腳踝)的骨科醫材領域為領導廠商,這些領域正好是骨科成長最快的類別之一。Wright Medical具有完整的3D列印踝關節置換系列產品,可搭配Stryker獨特的鈦技術(Tritanium Technology)可模仿鬆質骨(cancellous bone)的多孔結構,結合大中小不同尺寸的孔洞,提供毛細吸附、細胞浸潤與血管新生等不同的再生功能,促進骨內生長和融合。Medtronic則在同年收購法國脊柱外科公司Medicrea,該公司具備3D列印醫材製造流程,其軟體平台可透過AI運算、預測建模與3D解剖結構重建,印製和患者結構精確吻合的椎間植入物,並獲得美國FDA核准成為全球第一個患者吻合的脊柱椎間護架(Patient-Matched Spinal Interbody Cages),負載能力亦優於傳統脊柱植入物,提升Medtronic在脊柱植入物的技術量能。

(二)陶瓷奈米塗層與頷面植入物

美國Innovasis公司推出的3D列印ALIF前位椎間融合產品具有特殊的HANano改質表面,先前已獲得美國FDA 510(K)的許可。HANano是一種厚度約20奈米的表面改質劑可形成粗糙結構,由結晶的羥基磷灰石 (hydroxyapatite, HA) 顆粒組成,利用形狀、成份和結構模擬人體的骨組織,最早由瑞典的Mölndal公司開發,先前已用於牙科植入物上。Innovasis的產品則是第一個FDA批准HANano表面可用於骨科植入物的醫材,複合性材料整合可為原先3D列印的產品功能加值。

該鈦金屬椎間融合植入物利用3D列印技術孔隙率可達66%,而奈米級的結晶HA顆粒塗層經由臨床實驗顯示可加速和增強植入物的整合效果,與無塗層的鈦植入物相比,4週內表面新骨形成提高了67%;親水特性可改善血液和細胞外液體的吸附,並且長時間維持保水性,促進骨傳導整合的整個反應過程;微米級的粗糙外貌更有利於新生的骨骼往內生長嵌入。

全陶瓷列印產品雖然與天然骨骼成份更相似、生物相容性更高,但由於易斷裂,因此較適合用於非負重應用的骨骼重建,如重視外觀美感的顱顏頷面植入物和牙骨植入物上。比利時醫材公司Cerhum以獨特的多孔結構3D列印技術推出陶瓷植入物系列產品MyBone,其頷面植入物已於2022年獲得CE核准可用於治療面部嚴重變形的患者。植入患者體內兩年後,CT斷層掃描影像顯示植入物看起來與天然骨骼完全相同。此外,有鑑於顏面缺陷的複雜性,3D列印技術可提供完美符合需求的植入物;特殊多孔性結構又可加快骨骼與血管向內生長的速度,因此獲得頷面外科醫師相當正面的評價。
 

圖2 HAnano陶瓷塗層與陶瓷3D列印

資料來源:Innovasis與Cerhum公司官網(2022/11)
圖2 HAnano陶瓷塗層與陶瓷3D列印
 

(三)生物可吸收/降解植入物

除了金屬與陶瓷材料外,未來市場上也將可看到更多可降解植入物,這些骨科替代物隨著時間的推移,在與患者原本的骨骼融合後,將逐漸降解並被人體骨骼所取代。美國一家生物列印公司ADaM利用特殊的3D列印技術和專利材料來製造生物可吸收和可降解的醫療植入物,主要應用於骨科領域。可降解材料主要是由生物性陶瓷和改質的聚合物所構成,預期植入的骨科支架在完成其彌補支撐工作後,可完全被身體吸收、不留下任何外來物。所用的陶瓷材料可創建多孔性結構,細胞於孔隙內可快速遷移,降解速度快。聚合物則可限制遷移性,並可維持較長時間,複合材料則可調和兩者的特性優點。2020年此項生物可吸收骨科植入物已獲得美國FDA 510(k)認定,預計未來幾年將有機會上市。

三、結論

3D列印技術已開始改變骨科植入物產業的未來,在過去幾年間其生產滲透率持續擴增,除了標準品的製造外(特別是創建多孔性表面結構),將來則會更有多客製化列印的骨科植入物走入手術間。目前業界僅根據患者體型印製個人化的植入物,未來將可根據患者年齡、骨密度需求和營養生長狀態進行量身訂做的設計印製,提供更符合患者個人需求的治療產品。而在材料開發上的不斷進步,可建構出多孔性、人體骨骼仿生與可降解取代的新興植入物,以提供更好的骨整合療效,縮短術後恢復時間,並減少需再次手術取出或置換的風險。整體而言,3D列印技術為高齡化骨科醫療需求帶來更好的解方,市場與相關科技在未來幾年仍將快速發展成長。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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