供稿人：劉佳音、王玲 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：2024-05-02
福建醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院客座教授黃文華團(tuán)隊(duì)在用于治療退行性腰椎疾病3D打印椎間融合器方面取得進(jìn)展，所撰寫論文Anisotropic biomimetic trabecular porous three-dimensional-printed Ti-6Al-4V cage for lumbar interbody fusion[1]（用于治療退行性腰椎疾病的一種新型3D打印各向異性仿生骨小梁多孔Ti-6Al-4V椎間融合器）在Top期刊Materials & Design（《材料與設(shè)計(jì)》）以研究長文（Research Article）形式在線發(fā)表，該期刊2023年影響因子為8.4。
下腰痛(LBP)是一種常見的臨床癥狀，通常由椎間盤退變引起，大約60%-80%的人在一生中經(jīng)歷過下腰痛，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。椎間融合術(shù)是一種治療腰椎疾病的外科手術(shù)，通過椎間融合器植入物替換受損的椎間盤來恢復(fù)脊柱的穩(wěn)定性和功能。然而，傳統(tǒng)的椎間融合器在生物相容性、成骨誘導(dǎo)性和力學(xué)性能等方面存在局限性，可能會影響融合效果，并導(dǎo)致椎間融合器松動、下沉和不融合等并發(fā)癥。因此，迫切需要研發(fā)一種新型椎間融合器來克服現(xiàn)有融合器的不足。
如圖1所示，黃文華教授團(tuán)隊(duì)利用可控參數(shù)建模技術(shù)，根據(jù)人體骨小梁的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征開發(fā)了一種無需植骨融合的3D打印各向異性仿生骨小梁多孔Ti-6Al-4V椎間融合器，并對其表面進(jìn)行原位修飾，形成微納米粗糙度，模擬天然骨組織的宏-微觀結(jié)構(gòu)，以改善現(xiàn)有椎間融合器的不足，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。
圖1 圖形摘要
本研究首先基于Voronoi方法，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)構(gòu)建了各向異性仿生小梁的可控多孔結(jié)構(gòu)，其在形態(tài)上模仿健康成人腰椎骨的松質(zhì)小梁，具有出色機(jī)械和生物學(xué)性能。最終設(shè)計(jì)了孔徑為600μm、孔隙率為65%、70%、75%、80%、85%和90%的各向異性仿生小梁多孔結(jié)構(gòu)，并結(jié)合仿生小梁多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化了框架固體結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)完成后采用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)進(jìn)行打印制造，再制造完成并進(jìn)行后處理之后，使用電解等離子拋光機(jī)對樣品進(jìn)行表面原位改性。由圖2可以看出，仿生多孔Ti6Al4V融合器表面的微納米粗糙度Ra值為48μm，具有這種微納米粗糙度的表面形貌增加了各向異性仿生小梁多孔融合器的功能，為后續(xù)的生物學(xué)功能研究提供了重要的生物物理特征。
圖2 65%-85%孔隙率的3D打印Ti6Al4V多孔融合器表面三維形貌平均Ra的測繪圖顯示了孔隙率為65%-85%的3D打印多孔融合器的微納米粗糙度
之后根據(jù)ASTM F2077和ASTM F2267-04脊柱植入物標(biāo)準(zhǔn)，采用靜態(tài)軸向壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、下沉和動態(tài)軸向壓縮試驗(yàn)等方法，對所設(shè)計(jì)的不同孔隙率的帶有增強(qiáng)框架的椎間融合器（3DPPF）以及相同尺寸的PEEK椎間融合器（PEEK）和全多孔的Ti6Al4V融合器（3DPP）的力學(xué)性能進(jìn)行了綜合測試和比較。最終結(jié)果表明，隨著孔隙率增加，3DPP和3DPPF融合器的壓縮屈服載荷和剛度、剪切屈服載荷和剛度以及扭轉(zhuǎn)力矩和剛度均隨孔隙率的增加而減小。
圖3為軸向壓縮測試結(jié)果。PEEK融合器因其與人體骨組織相似的剛度而廣泛用于臨床實(shí)踐。軸向壓縮測試結(jié)果顯示，70%孔隙率的3DPPF融合器剛度與PEEK融合器相對應(yīng)，70%孔隙率的3DPPF融合器的屈服載荷為18573±634.12 N，高于PEEK融合器的17857.94±178.94 N，表明70%孔隙率的3DPPF融合器的承載能力優(yōu)于PEEK融合器。70%3DPPF融合器的屈服載荷是正常人體內(nèi)部負(fù)荷的9倍以上，遠(yuǎn)超機(jī)體正常的生理復(fù)合需求。
圖3 軸向壓縮測試結(jié)果
圖4為剪切測試結(jié)果。剪切測試結(jié)果顯示，70%孔隙率的3DPPF融合器在剪切作用下的力學(xué)性能與PEEK融合器相當(dāng)，PEEK和70% 孔隙率3DPPF融合器的剪切屈服載荷分別為11623.68 N（±345.64）和11897.28 N（±1260.09），超過正常人的生理活動負(fù)荷124倍以上。
圖4 剪切測試結(jié)果
圖5為扭轉(zhuǎn)測試結(jié)果。扭轉(zhuǎn)測試結(jié)果顯示， 65%-75%孔隙率的3DPPF融合器的扭矩力和剛度值大于PEEK融合器。相反，80%-85%孔隙率 3DPPF融合器的扭矩力和剛度小于PEEK融合器。 70% 3DPPF 融合器的屈服扭矩力約為 FDA 匯總數(shù)據(jù)的第 95 個(gè)百分位數(shù) (28.6 N/m)，扭轉(zhuǎn)剛度在第 75 個(gè)百分位數(shù) (4.8 N/m/deg) 和第 95 個(gè)百分位數(shù) (10.0 N/m/deg）。因此，它表現(xiàn)出超強(qiáng)的承受腰椎扭轉(zhuǎn)載荷和抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。
圖5 扭轉(zhuǎn)測試結(jié)果
圖6為沉降測試結(jié)果。沉降測試結(jié)果顯示，70%孔隙率3DPPF融合器的最大沉降屈服荷載為1190.80 N（±57.04），比PEEK融合器的最小沉降屈服荷載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塊的剛度比PEEK融合器高68.8%，大于FDA匯總聚氨酯泡沫砌塊剛度數(shù)據(jù)的第95個(gè)百分位數(shù)（694 N/mm）。因此，仿生小梁的多孔結(jié)構(gòu)顯著降低了融合器沉降的風(fēng)險(xiǎn)。這是由植入物的結(jié)構(gòu)引起的，因?yàn)楸３旨艿南鲁潦苤踩胛锱c骨接觸區(qū)的應(yīng)力分布的影響。仿生小梁多孔融合器具有多孔結(jié)構(gòu)，與PEEK融合器相比，增加了上下表面與椎體的接觸面積。這改善了應(yīng)力分布并降低了熔融沉降的風(fēng)險(xiǎn)。
圖6 沉降測試結(jié)果
最終根據(jù)靜態(tài)軸向壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和沉降試驗(yàn)結(jié)果，70%孔隙率的3DPPF融合器表現(xiàn)出最佳的力學(xué)性能。
脊柱多孔融合器應(yīng)該能夠?qū)λ拗鹘M織產(chǎn)生良好的骨誘導(dǎo)作用。多孔結(jié)構(gòu)植入物必須能夠誘導(dǎo)成骨細(xì)胞附著、增殖和分化以及成骨，已實(shí)現(xiàn)對骨組織的最佳骨誘導(dǎo)作用。
圖7為生物測試結(jié)果。本研究的生物測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的3DPPF融合器細(xì)胞存活率很高，沒有觀察到明顯的細(xì)胞死亡，具有多孔結(jié)構(gòu)的融合器比PEEK和Ti6Al4V實(shí)心的融合器產(chǎn)生了更多的活細(xì)胞，這表明仿生小梁多孔結(jié)構(gòu)提高了細(xì)胞存活能力。特別是在70%-75%孔隙率的多孔融合器中細(xì)胞廣泛擴(kuò)散，具有突出的偽足。同時(shí)，早期ALP成骨實(shí)驗(yàn)后期茜素紅染色半定量分析也表明仿生小梁多孔結(jié)構(gòu)具有改善的成骨能力。在這項(xiàng)研究中，仿生小梁多孔結(jié)構(gòu)和粗糙微米級和納米級表面的引入可以為成骨提供微環(huán)境，促進(jìn) ALP 表達(dá)和細(xì)胞外基質(zhì)礦化。體外生物學(xué)效應(yīng)表明，所有支架材料均具有良好的細(xì)胞相容性，其中仿生小梁多孔結(jié)構(gòu)更有利于細(xì)胞粘附、生長、增殖和成骨分化作用，為組織再生奠定基礎(chǔ)。
圖7 生物測試結(jié)果
本研究表明，具有適當(dāng)孔隙率和微納米粗糙度表面的3D打印各向異性仿生小梁Ti-6Al-4V融合器具有某些有利的脊柱植入物特性，具有良好的臨床應(yīng)用潛力。