具有多孔結(jié)構(gòu)和嵌入式固定螺釘?shù)?D 打印鈦合金腰椎椎間融合器

供稿人：宋發(fā)成、王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打�,。┓謺�

腰椎椎間融合術(shù)是治療脊柱相關(guān)疾病的一種有效而常見的方法。隨著微創(chuàng)手術(shù)的發(fā)展,，斜外側(cè)腰椎椎體間融合術(shù)（OLIF）也于近期問世,，該技術(shù)可降低傷口感染風(fēng)險，減少肌肉/軟組織切口,，縮短手術(shù)時間,。為保持融合器植入后的穩(wěn)定性，在手術(shù)過程中往往使用椎弓根螺釘增強固定,，但固定系統(tǒng)的使用會增加手術(shù)負(fù)擔(dān),，并在植入脊柱體時造成額外傷口。在OLIF融合器內(nèi)嵌入螺釘可有效解決上述問題,，通過手術(shù)插入直接固定融合器和椎體,。

中國臺灣長庚大學(xué)的Po-Liang Lai等根據(jù)骨質(zhì)疏松癥患者的解剖表面形態(tài)設(shè)計了一種 用于OLIF手術(shù)的鈦合金融合器，其具有可促進骨生長的晶格結(jié)構(gòu),，以及可增加穩(wěn)定性的嵌入式螺釘固定,，并通過金屬三維打印技術(shù)制作了這種OLIF融合器，并通過疲勞生物力學(xué)測試驗證其性能是否符合美國食品藥品管理局（FDA）的標(biāo)準(zhǔn),。研究者首先根據(jù)20名老年骨質(zhì)疏松癥患者L2-L5的終板形貌數(shù)據(jù)計算了獲得終板下沉的程度,，進而優(yōu)化并驗證腰椎有限元（FEA）模型。隨后結(jié)合重量拓?fù)鋬?yōu)化完成OLIF融合器的外型設(shè)計,。融合器的晶格結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)區(qū)分如圖1所示,，該晶格被設(shè)計為多角球形結(jié)構(gòu)，用于除細胞團聚,，其單位立方體為1mm 3,、支柱直徑為0.3 mm、晶格的孔隙率設(shè)定為65%,，孔徑控制在600μm-900μm之間。完成設(shè)計后使用金屬3D打印機（AM250,，Renishaw,，Gloucestershire，UK）,，用鈦合金粉末（Ti6Al4V粉末直徑在15微米和45微米之間）對融合器進行了制造,。

圖1 OLIF的融合器的晶格結(jié)構(gòu)以及打印制造

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分別對融合器做靜態(tài)/疲勞壓縮試驗和靜態(tài)/疲勞壓縮-剪切試驗。其中靜態(tài)壓縮試驗的最大載荷設(shè)置為150000N,，一旦達到此上限,，試驗即停止。試驗結(jié)束后融合器并未發(fā)生變形、損壞或破裂,。從載荷-位移曲線上看,，靜態(tài)壓縮的平均剛度和標(biāo)準(zhǔn)偏差為16658±1752N/mm（圖2c）。融合器在分別承受24000N（最大載荷的16%）和16000 N（最大載荷的10.7%）的86萬次和122萬次循環(huán)載荷時均出現(xiàn)全面的斷裂,。而疲勞極限載荷為 8000 N和6000N,；當(dāng)循環(huán)載荷超過500萬時，沒有觀察到整體斷裂,，但在前/后邊緣發(fā)現(xiàn)了微裂紋（圖2b）,。

圖2 斜側(cè)腰椎椎體間融合術(shù)（OLIF）融合器的靜態(tài)/疲勞壓縮試驗

靜態(tài)壓縮-剪切試驗設(shè)定為在達到試驗機的上限24000N（最大載荷）時停止。所有測試的融合器都沒有變形,、損壞或開裂,。根據(jù)載荷-位移曲線（圖3c），得出靜態(tài)壓縮-剪切的平均剛度為19643 N/mm,。動態(tài)壓縮剪切試驗發(fā)現(xiàn),，融合器在分別承受12000N（最大載荷的50%）和6000N（最大載荷的25%）的47萬和273萬次循環(huán)載荷下斷裂。在3500 N載荷條件下可通過500萬次循環(huán),，但融合器底部邊緣出現(xiàn)了微裂紋,。因此，壓縮-剪切試驗的疲勞極限為2600N（圖3b和圖3c）,。

圖3 斜側(cè)腰椎椎體間融合術(shù)（OLIF）融合器的靜態(tài)/疲勞壓縮-剪切試驗

本研究根據(jù)終板形態(tài)的統(tǒng)計結(jié)果,，結(jié)合有限元和重量拓?fù)鋬?yōu)化分析，設(shè)計了一種帶有嵌入式固定螺釘?shù)男滦蚈LIF 融合器,。對金屬3D打印技術(shù)制造的該OLIF融合器進行了力學(xué)測試,，發(fā)現(xiàn)其動態(tài)軸向壓縮和壓縮剪切測試值超出FDA推薦值約兩倍。不過,，OLIF融合器的邊緣設(shè)計必須進一步改進,，以提高抗動態(tài)強度的能力。

參考文獻：
LAI P L, HUANG S F, WANG H W, et al. Designing an anatomical contour titanium 3D-printed oblique lumbar interbody fusion cage with porous structure and embedded fixation screws for patients with osteoporosis [J]. International Journal of Bioprinting, 2023, 9(5): 772.