供稿人：刘佳音、王玲 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-05-02
福建医科大学基础医学院客座教授黄文华团队在用于治疗退行性腰椎疾病3D打印椎间融合器方面取得进展，所撰写论文Anisotropic biomimetic trabecular porous three-dimensional-printed Ti-6Al-4V cage for lumbar interbody fusion[1]（用于治疗退行性腰椎疾病的一种新型3D打印各向异性仿生骨小梁多孔Ti-6Al-4V椎间融合器）在Top期刊Materials & Design（《材料与设计》）以研究长文（Research Article）形式在线发表，该期刊2023年影响因子为8.4。
下腰痛(LBP)是一种常见的临床症状，通常由椎间盘退变引起，大约60%-80%的人在一生中经历过下腰痛，严重影响生活质量。椎间融合术是一种治疗腰椎疾病的外科手术，通过椎间融合器植入物替换受损的椎间盘来恢复脊柱的稳定性和功能。然而，传统的椎间融合器在生物相容性、成骨诱导性和力学性能等方面存在局限性，可能会影响融合效果，并导致椎间融合器松动、下沉和不融合等并发症。因此，迫切需要研发一种新型椎间融合器来克服现有融合器的不足。
如图1所示，黄文华教授团队利用可控参数建模技术，根据人体骨小梁的形态和结构特征开发了一种无需植骨融合的3D打印各向异性仿生骨小梁多孔Ti-6Al-4V椎间融合器，并对其表面进行原位修饰，形成微纳米粗糙度，模拟天然骨组织的宏-微观结构，以改善现有椎间融合器的不足，降低术后并发症的发生率。
图1 图形摘要
本研究首先基于Voronoi方法，通过参数化设计构建了各向异性仿生小梁的可控多孔结构，其在形态上模仿健康成人腰椎骨的松质小梁，具有出色机械和生物学性能。最终设计了孔径为600μm、孔隙率为65%、70%、75%、80%、85%和90%的各向异性仿生小梁多孔结构，并结合仿生小梁多孔结构优化了框架固体结构。在设计完成后采用选择性激光熔化（SLM）技术进行打印制造，再制造完成并进行后处理之后，使用电解等离子抛光机对样品进行表面原位改性。由图2可以看出，仿生多孔Ti6Al4V融合器表面的微纳米粗糙度Ra值为48μm，具有这种微纳米粗糙度的表面形貌增加了各向异性仿生小梁多孔融合器的功能，为后续的生物学功能研究提供了重要的生物物理特征。
图2 65%-85%孔隙率的3D打印Ti6Al4V多孔融合器表面三维形貌平均Ra的测绘图显示了孔隙率为65%-85%的3D打印多孔融合器的微纳米粗糙度
之后根据ASTM F2077和ASTM F2267-04脊柱植入物标准，采用静态轴向压缩、剪切、扭转、下沉和动态轴向压缩试验等方法，对所设计的不同孔隙率的带有增强框架的椎间融合器（3DPPF）以及相同尺寸的PEEK椎间融合器（PEEK）和全多孔的Ti6Al4V融合器（3DPP）的力学性能进行了综合测试和比较。最终结果表明，随着孔隙率增加，3DPP和3DPPF融合器的压缩屈服载荷和刚度、剪切屈服载荷和刚度以及扭转力矩和刚度均随孔隙率的增加而减小。
图3为轴向压缩测试结果。PEEK融合器因其与人体骨组织相似的刚度而广泛用于临床实践。轴向压缩测试结果显示，70%孔隙率的3DPPF融合器刚度与PEEK融合器相对应，70%孔隙率的3DPPF融合器的屈服载荷为18573±634.12 N，高于PEEK融合器的17857.94±178.94 N，表明70%孔隙率的3DPPF融合器的承载能力优于PEEK融合器。70%3DPPF融合器的屈服载荷是正常人体内部负荷的9倍以上，远超机体正常的生理复合需求。
图3 轴向压缩测试结果
图4为剪切测试结果。剪切测试结果显示，70%孔隙率的3DPPF融合器在剪切作用下的力学性能与PEEK融合器相当，PEEK和70% 孔隙率3DPPF融合器的剪切屈服载荷分别为11623.68 N（±345.64）和11897.28 N（±1260.09），超过正常人的生理活动负荷124倍以上。
图4 剪切测试结果
图5为扭转测试结果。扭转测试结果显示， 65%-75%孔隙率的3DPPF融合器的扭矩力和刚度值大于PEEK融合器。相反，80%-85%孔隙率 3DPPF融合器的扭矩力和刚度小于PEEK融合器。 70% 3DPPF 融合器的屈服扭矩力约为 FDA 汇总数据的第 95 个百分位数 (28.6 N/m)，扭转刚度在第 75 个百分位数 (4.8 N/m/deg) 和第 95 个百分位数 (10.0 N/m/deg）。因此，它表现出超强的承受腰椎扭转载荷和抗扭转变形的能力。
图5 扭转测试结果
图6为沉降测试结果。沉降测试结果显示，70%孔隙率3DPPF融合器的最大沉降屈服荷载为1190.80 N（±57.04），比PEEK融合器的最小沉降屈服荷载19.7 N（±994.68）高27.93%。此外，70%孔隙率的 3DPPF融合器中聚氨酯泡沫砌块的刚度比PEEK融合器高68.8%，大于FDA汇总聚氨酯泡沫砌块刚度数据的第95个百分位数（694 N/mm）。因此，仿生小梁的多孔结构显着降低了融合器沉降的风险。这是由植入物的结构引起的，因为保持架的下沉受植入物与骨接触区的应力分布的影响。仿生小梁多孔融合器具有多孔结构，与PEEK融合器相比，增加了上下表面与椎体的接触面积。这改善了应力分布并降低了熔融沉降的风险。
图6 沉降测试结果
最终根据静态轴向压缩、剪切、扭转和沉降试验结果，70%孔隙率的3DPPF融合器表现出最佳的力学性能。
脊柱多孔融合器应该能够对宿主组织产生良好的骨诱导作用。多孔结构植入物必须能够诱导成骨细胞附着、增殖和分化以及成骨，已实现对骨组织的最佳骨诱导作用。
图7为生物测试结果。本研究的生物测试结果表明，所设计的3DPPF融合器细胞存活率很高，没有观察到明显的细胞死亡，具有多孔结构的融合器比PEEK和Ti6Al4V实心的融合器产生了更多的活细胞，这表明仿生小梁多孔结构提高了细胞存活能力。特别是在70%-75%孔隙率的多孔融合器中细胞广泛扩散，具有突出的伪足。同时，早期ALP成骨实验后期茜素红染色半定量分析也表明仿生小梁多孔结构具有改善的成骨能力。在这项研究中，仿生小梁多孔结构和粗糙微米级和纳米级表面的引入可以为成骨提供微环境，促进 ALP 表达和细胞外基质矿化。体外生物学效应表明，所有支架材料均具有良好的细胞相容性，其中仿生小梁多孔结构更有利于细胞粘附、生长、增殖和成骨分化作用，为组织再生奠定基础。
图7 生物测试结果
本研究表明，具有适当孔隙率和微纳米粗糙度表面的3D打印各向异性仿生小梁Ti-6Al-4V融合器具有某些有利的脊柱植入物特性，具有良好的临床应用潜力。