供稿人：宋發(fā)成、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-07-10
腰椎間融合術(shù)是治療退行性腰椎疾病的有效手術(shù)方式。植入腰椎間融合器是手術(shù)的關(guān)鍵步驟，能夠重建椎體前柱的負(fù)載能力，為骨融合創(chuàng)造條件。目前,聚醚醚酮(PEEK)和鈦合金是兩種常用的融合器材料。但PEEK的惰性和疏水性會(huì)抑制細(xì)胞黏附，不利于骨融合。鈦合金的高彈性模量又容易產(chǎn)生應(yīng)力遮蔽效應(yīng)，影響新骨生長。因此，研究人員一直在尋求具有生物活性和適中彈性模量的新型植入物材料。近年來，3D打印技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)植入物提供了新途徑。多孔結(jié)構(gòu)不僅降低整體剛度，還為細(xì)胞生長和血管形成提供有利環(huán)境。同時(shí)，β型低模量鈦合金材料的彈性模量接近人體骨骼，有望減少應(yīng)力遮蔽，促進(jìn)植入物與骨骼融合。
中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院脊柱外科李成等利用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造出一種新型多孔低模量Ti-24Nb-4Zr-8Sn腰椎融合器，并通過有限元分析評(píng)估其生物力學(xué)性能，為臨床應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。如圖1所示，研究者利用3D打印技術(shù)，分別采用Ti-24Nb-4Zr-8Sn(Ti2448)和Ti-6Al-4V(Ti64)兩種鈦合金材料，制造出具有70%多孔率、600微米孔徑的腰椎間融合器。所制造的多孔融合器尺寸為14.00×10.00×26.00毫米，采用了鉆石形狀的多孔結(jié)構(gòu)單元。
圖1 不同材質(zhì)多孔椎間融合器的設(shè)計(jì)制造.1# Ti64材質(zhì)融合器, 2# Ti2448材質(zhì)融合器
為了進(jìn)行性能對(duì)比，研究者建立了完整的L4-L5節(jié)段有限元模型，包括PEEK、Ti64和Ti2448三種不同材料的多孔融合器模型。通過有限元分析，研究者對(duì)比了三種融合器在保持手術(shù)節(jié)段穩(wěn)定性、降低內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力、減小融合器-終板界面應(yīng)力和相對(duì)微移動(dòng)等方面的生物力學(xué)性能。分析結(jié)果如圖2所示，與傳統(tǒng)PEEK融合器相比，兩種多孔鈦合金融合器都表現(xiàn)出更優(yōu)異的生物力學(xué)性能，特別是Ti2448低模量融合器在降低融合器-終板界面應(yīng)力方面具有明顯優(yōu)勢。
圖2 不同材質(zhì)椎間融合器生物力學(xué)分析.（a）運(yùn)動(dòng)范圍(ROM) （b）內(nèi)固定系統(tǒng)的最大應(yīng)力（c）融合器-終板界面的最大應(yīng)力.（d）融合器-終板界面的最大相對(duì)微移動(dòng)值
本研究設(shè)計(jì)的新型3D打印多孔低模量Ti-24Nb-4Zr-8Sn鈦合金腰椎融合器獨(dú)特多孔低模量結(jié)構(gòu)不僅有利于骨ingrowth和骨融合，而且能夠降低融合器-終板界面應(yīng)力和相對(duì)微移動(dòng)，從而提高腰椎融合術(shù)的長期療效，具有重要的臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值，有望在脊柱外科手術(shù)等領(lǐng)域獲得潛在應(yīng)用。