供稿人：宋发成、李涤尘 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：2024-07-10
腰椎间融合术是治疗退行性腰椎疾病的有效手术方式。植入腰椎间融合器是手术的关键步骤，能够重建椎体前柱的负载能力，为骨融合创造条件。目前,聚醚醚酮(PEEK)和钛合金是两种常用的融合器材料。但PEEK的惰性和疏水性会抑制细胞黏附，不利于骨融合。钛合金的高弹性模量又容易产生应力遮蔽效应，影响新骨生长。因此，研究人员一直在寻求具有生物活性和适中弹性模量的新型植入物材料。近年来，3D打印技术的发展为设计多孔结构植入物提供了新途径。多孔结构不仅降低整体刚度，还为细胞生长和血管形成提供有利环境。同时，β型低模量钛合金材料的弹性模量接近人体骨骼，有望减少应力遮蔽，促进植入物与骨骼融合。
中国医科大学附属盛京医院脊柱外科李成等利用3D打印技术，设计并制造出一种新型多孔低模量Ti-24Nb-4Zr-8Sn腰椎融合器，并通过有限元分析评估其生物力学性能，为临床应用奠定理论基础。如图1所示，研究者利用3D打印技术，分别采用Ti-24Nb-4Zr-8Sn(Ti2448)和Ti-6Al-4V(Ti64)两种钛合金材料，制造出具有70%多孔率、600微米孔径的腰椎间融合器。所制造的多孔融合器尺寸为14.00×10.00×26.00毫米，采用了钻石形状的多孔结构单元。
图1 不同材质多孔椎间融合器的设计制造.1# Ti64材质融合器, 2# Ti2448材质融合器
为了进行性能对比，研究者建立了完整的L4-L5节段有限元模型，包括PEEK、Ti64和Ti2448三种不同材料的多孔融合器模型。通过有限元分析，研究者对比了三种融合器在保持手术节段稳定性、降低内固定系统应力、减小融合器-终板界面应力和相对微移动等方面的生物力学性能。分析结果如图2所示，与传统PEEK融合器相比，两种多孔钛合金融合器都表现出更优异的生物力学性能，特别是Ti2448低模量融合器在降低融合器-终板界面应力方面具有明显优势。
图2 不同材质椎间融合器生物力学分析.（a）运动范围(ROM) （b）内固定系统的最大应力（c）融合器-终板界面的最大应力.（d）融合器-终板界面的最大相对微移动值
本研究设计的新型3D打印多孔低模量Ti-24Nb-4Zr-8Sn钛合金腰椎融合器独特多孔低模量结构不仅有利于骨ingrowth和骨融合，而且能够降低融合器-终板界面应力和相对微移动，从而提高腰椎融合术的长期疗效，具有重要的临床转化价值，有望在脊柱外科手术等领域获得潜在应用。