張偉彬 陳揚(yáng) 楊欣建 白雪嶺 楊澤雨 夏曉龍 錢文彬 藍(lán)濤

·實(shí)驗(yàn)研究論著·

3D打印鈦孔結(jié)構(gòu)與實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)椎體的體外生物力學(xué)測(cè)試分析

張偉彬 陳揚(yáng) 楊欣建 白雪嶺 楊澤雨 夏曉龍 錢文彬 藍(lán)濤

目的 通過對(duì)3D打印鈦孔結(jié)構(gòu)與實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)椎體植入豬腰椎后進(jìn)行體外生物力學(xué)測(cè)試，評(píng)價(jià)其活動(dòng)范圍情況及即刻生物力學(xué)穩(wěn)定性。方法 選取18具新鮮成年豬脊柱標(biāo)本(L1～L6)隨機(jī)分配到以下三組：對(duì)照組(未置換)、鈦孔結(jié)構(gòu)椎體置換組(取出L3椎體行鈦孔結(jié)構(gòu)椎體植入，簡(jiǎn)稱鈦孔結(jié)構(gòu)組)、實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)椎體置換組(取出L3椎體行實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)椎體植入，簡(jiǎn)稱實(shí)體鈦組)。測(cè)試標(biāo)本的前屈、后伸、側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)角位移運(yùn)動(dòng)變化。結(jié)果 實(shí)體鈦組、鈦孔結(jié)構(gòu)組分別與對(duì)照組在各方位角位移運(yùn)動(dòng)范圍比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)；鈦孔結(jié)構(gòu)組與實(shí)體鈦組在各方位的角位移運(yùn)動(dòng)范圍比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)，且兩種固定狀態(tài)下各方位的即刻穩(wěn)定指數(shù)比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。結(jié)論 兩種3D打印人工椎體方法均能獲得良好的即刻穩(wěn)定性，但3D打印的鈦孔結(jié)構(gòu)人工椎體在融合方面優(yōu)于實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)。

計(jì)算機(jī)輔助；成像，三維；鈦；修復(fù)外科手術(shù)；生物力學(xué)；內(nèi)固定器

重度腰椎骨折、結(jié)核或腫瘤可致椎體及周圍結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞并造成椎管內(nèi)硬膜囊及神經(jīng)根受壓[1-3]。臨床上，通常需要采用椎體全切術(shù)把病變椎體及周圍病灶清除，取自體髂骨塊或鈦籠進(jìn)行填充重建椎體高度和生物力學(xué)穩(wěn)定性。然而自體髂骨塊取材有限，并對(duì)骨盆完整性產(chǎn)生影響很大，患者術(shù)后多有不適感。鈦籠植入有對(duì)相鄰椎體切割及嵌入椎體的可能[4]。3D打印鈦孔結(jié)構(gòu)椎體的設(shè)計(jì)理念是運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)結(jié)合影像學(xué)資料為患者設(shè)計(jì)高匹配度的個(gè)性化人工椎體，通過快速成型技術(shù)打印植入物，恢復(fù)椎間高度，維持脊柱生理弧度力線，提供受累椎節(jié)的初始穩(wěn)定性及促進(jìn)骨性融合固定。

2014年深圳市第二人民醫(yī)院脊柱外科研制了3D打印鈦孔結(jié)構(gòu)與實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)的人工椎體。本研究通過對(duì)這兩種椎體植入豬腰椎后進(jìn)行體外生物力學(xué)測(cè)試，評(píng)價(jià)活動(dòng)范圍情況及即刻生物力學(xué)穩(wěn)定性。

材料與方法

一、研究對(duì)象

選用新鮮成年豬脊柱標(biāo)本18具，各標(biāo)本的一般資料(大小、年齡等)比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。于胸腰段及腰骶段交界處離斷椎間盤、韌帶及關(guān)節(jié)囊，取出L1～L6腰椎標(biāo)本。保留骨結(jié)構(gòu)、椎間盤、關(guān)節(jié)囊及所有韌帶，剔除標(biāo)本的肌肉、脂肪等軟組織。用咬骨鉗咬除標(biāo)本L1和L6部分關(guān)節(jié)突、橫突及棘突結(jié)構(gòu)。多層保鮮膜包裹標(biāo)本，置于<-20 ℃冰箱中密封保存。測(cè)試前將標(biāo)本室溫放置自然解凍12 h。18具新鮮成年豬腰椎標(biāo)本數(shù)字隨機(jī)法分為以下三組：對(duì)照組(未置換，L1～L6完整豬腰椎標(biāo)本，6具標(biāo)本)、鈦孔結(jié)構(gòu)椎體置換組(取出L3椎體行鈦孔結(jié)構(gòu)椎體植入，簡(jiǎn)稱鈦孔結(jié)構(gòu)組，6具標(biāo)本)、實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)錐體置換組(取出L3椎體行實(shí)體結(jié)構(gòu)椎體植入，簡(jiǎn)稱實(shí)體鈦組，6具標(biāo)本)[5，6]。

二、置換標(biāo)本制作方法

行L3椎體全切除術(shù)，并刮磨鄰近椎體椎間盤及終板，行3D打印鈦孔椎體或?qū)嶓w鈦?zhàn)刁w置換，不破壞后方韌帶復(fù)合體，置換后上下兩端各2個(gè)螺釘與上下椎體固定(圖1)。

三、儀器

1. 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) Instron-E10000(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)。

2. 光學(xué)定位系統(tǒng) Polaris Hybrid Spectra(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)。

3. 若干Marker剛體。

四、實(shí)驗(yàn)方法

在對(duì)照組、鈦孔結(jié)構(gòu)組和實(shí)體鈦組的各節(jié)段椎體通過螺釘固定延伸鋼板，在延伸鋼板上固定Marker光學(xué)定位工具(由4個(gè)紅外反光小球組成，能追蹤椎體6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng))，用自凝牙托粉和自凝牙托水混合均勻后在夾具中包埋兩端椎體，并將夾具固定在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上、下端固定，上端施加偏心載荷，使標(biāo)本產(chǎn)生6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)[7]。

對(duì)標(biāo)本分別施加前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋6種純力矩分別為2、2、5、5、8、8 N·m，模擬脊柱生理活動(dòng)；加載、卸載循環(huán)共3次，在第3次加載后進(jìn)行測(cè)試，以消除韌帶、關(guān)節(jié)囊等軟組織粘彈性和脊柱蠕變運(yùn)動(dòng)的影響，測(cè)試過程保持輕柔，以免造成韌帶、關(guān)節(jié)囊或骨結(jié)構(gòu)的損壞[7，8]。利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和光學(xué)定位系統(tǒng)同步記錄施加力矩、各節(jié)段椎體空間角度的隨時(shí)間變化曲線，依次測(cè)量各節(jié)段椎體的運(yùn)動(dòng)范圍。按以下順序進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試：對(duì)照組→鈦孔結(jié)構(gòu)組→實(shí)體鈦組。予生理鹽水維持標(biāo)本濕潤(rùn)，防止組織脫水變性(圖2)。

五、觀察指標(biāo)

三組標(biāo)本在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋時(shí)椎體的角位移運(yùn)動(dòng)范圍。用即刻穩(wěn)定指數(shù)反映兩種人工椎體置換方法的即刻穩(wěn)定性。即刻穩(wěn)定指數(shù)=(對(duì)照組角位移運(yùn)動(dòng)范圍-人工椎體置換組角位移運(yùn)動(dòng)范圍)/對(duì)照組角位移運(yùn)動(dòng)范圍[5]。

六、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

abc圖1 3D打印實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)人工椎體(左側(cè))和3D打印鈦孔結(jié)構(gòu)人工椎體(右側(cè)) a：正面觀；b：側(cè)面觀；c：背面觀

表1 三組標(biāo)本(L1～L6)角位移運(yùn)動(dòng)范圍比較

注：與對(duì)照組比較，*P<0.05

abc圖2 體外生物力學(xué)測(cè)試 a：對(duì)照組；b：鈦孔結(jié)構(gòu)組；c：實(shí)體鈦組

結(jié) 果

實(shí)體鈦組、鈦孔結(jié)構(gòu)組分別與對(duì)照組在各方位角位移運(yùn)動(dòng)范圍比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)。鈦孔結(jié)構(gòu)組與實(shí)體鈦組各方位角位移運(yùn)動(dòng)范圍相比，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05，表1)。且兩組固定狀態(tài)下各方位的即刻穩(wěn)定指數(shù)比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05，表2)。

討 論

傳統(tǒng)的椎體全切術(shù)，將病灶累及節(jié)段椎體切除后填充自體髂骨塊，其存在取材不足、植入物易松動(dòng)和易移位等缺點(diǎn)。Kang等[9]和Lau等[10]研究顯示使用鈦籠填充同種異體骨替代自體髂骨塊，但亦有植入物移位及嵌入椎體等風(fēng)險(xiǎn)。

3D打印人工椎體使用的是由生物相容性高的鈦合金材料制成，其特征是：①個(gè)性化的優(yōu)異性能。較自體髂骨塊及鈦籠而言，3D打印技術(shù)制造人工椎體接近患者椎體[11]，支撐力學(xué)結(jié)構(gòu)更立體，接觸表面完全嵌合相鄰的椎體，接觸面寬，鈦孔結(jié)構(gòu)椎體通過多孔結(jié)構(gòu)間填充同種異體骨，足以承受生理載荷，對(duì)維持椎間高度起到了重要作用。②接觸表面平面化。傳統(tǒng)的鈦籠植入需術(shù)中測(cè)量后進(jìn)行人工修剪鈦籠高度，由于兩端不齊，其金屬切割作用對(duì)相鄰椎體表面骨皮質(zhì)造成損害，長(zhǎng)期有嵌入椎體的風(fēng)險(xiǎn)。3D打印人工椎體的接觸表面采用平面設(shè)計(jì)，使接觸面受力均勻，減少對(duì)相鄰椎體的切割作用。③內(nèi)固定的獨(dú)創(chuàng)性。內(nèi)固定需要具有提供早期穩(wěn)定、促進(jìn)骨性融合的作用，最終脊柱穩(wěn)定依賴于骨性融合。3D打印人工椎體作為新型的內(nèi)固定器，由于其能對(duì)相鄰椎節(jié)有良好的支撐和通過上下端兩側(cè)孔向相鄰椎體置釘固定牢靠，取得良好的即刻穩(wěn)定性。鈦孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可誘導(dǎo)骨長(zhǎng)入，并具有增強(qiáng)細(xì)胞黏附、促進(jìn)細(xì)胞分化等功能[12]；骨性融合后能更好地維持脊柱

表2 鈦孔結(jié)構(gòu)組與實(shí)體鈦組的即刻穩(wěn)定指數(shù)比較±s，n=6)

長(zhǎng)期穩(wěn)定性。④無(wú)鈦籠及自體髂骨塊移位情況發(fā)生。3D打印人工椎體獨(dú)特的人工椎體-椎體間置釘方式，通過人工椎體上下端兩側(cè)孔向相鄰椎體置釘，能有效地增加后伸穩(wěn)定性，避免其向椎管內(nèi)移位情況發(fā)生。⑤縮短手術(shù)時(shí)間。3D打印人工椎體采用術(shù)前設(shè)計(jì)及制造的方式，減少了自體髂骨塊取骨時(shí)間、鈦籠的測(cè)量及修剪時(shí)間，減少了術(shù)中出血。對(duì)于重度腰椎骨折、結(jié)核或腫瘤的患者，縮短手術(shù)時(shí)間和減少術(shù)中出血無(wú)疑為耗時(shí)長(zhǎng)的椎體全切術(shù)增強(qiáng)了手術(shù)安全性。

Kaigle等[13]在解剖學(xué)及生物力學(xué)方面研究表明：豬的腰椎椎體形態(tài)及該節(jié)段的脊柱結(jié)構(gòu)與人類相似，一定載荷下，與人的生物力學(xué)行為相近，證實(shí)了豬脊柱作為離體生物力學(xué)測(cè)試模型的有效性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明成年豬脊柱標(biāo)本在3D人工椎體內(nèi)固定后各方位角位移運(yùn)動(dòng)范圍減小，兩種人工椎體置換后均能提高脊柱在在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋、右旋6個(gè)方向的生物力學(xué)穩(wěn)定性；3D打印鈦孔結(jié)構(gòu)與實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)椎體在維持脊柱的即刻穩(wěn)定性方面效果相當(dāng)。Yang等[14]在山羊頸椎模型上通過EBM技術(shù)制作的新型人工椎體能很好地維持頸椎的穩(wěn)定性，并檢測(cè)到多孔金屬結(jié)構(gòu)中有良好的骨長(zhǎng)入。鑒于3D打印鈦孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可誘導(dǎo)骨長(zhǎng)入，通過多孔結(jié)構(gòu)間填充同種異體骨，促進(jìn)人工椎體-椎體間骨性融合，能有效支撐椎間高度及維持脊柱長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

綜上所述，兩種3D打印人工椎體方法均能獲得良好的即刻穩(wěn)定性，但3D打印的鈦孔結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)期骨融合方面優(yōu)于實(shí)體鈦結(jié)構(gòu)。另外，本研究只進(jìn)行了兩種人工椎體植入后不同姿態(tài)的角位移運(yùn)動(dòng)的測(cè)定，后期研究還需要完善人工椎體的屈服強(qiáng)度、剛度等生物力學(xué)指標(biāo)測(cè)定。對(duì)兩節(jié)段以上的椎體全切術(shù)，3D打印鈦孔結(jié)構(gòu)人工椎體通過人工椎體-椎體間置釘內(nèi)固定方式把持力度不夠，需要進(jìn)一步研究通過調(diào)整置釘角度聯(lián)合使用同樣置釘于相鄰椎體的鋼板內(nèi)固定術(shù)的方法。

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Comparison ofinvitrobiomechanical study of porous and entity 3D printing titanium artificial vertebral body.

ZHANGWeibin*,CHENYang,YANGXinjian,BAIXueling,YANGZeyu,XIAXiaolong,QIANWenbin,LANTao.

*GraduteSchoolofGuangdongMedicalUniversity,Zhanjiang524023,China

CHENYang,E-mail:drchenyang@163.com

Objective To evaluate the range of activity and immediate biomechanical stability through theinvitrobiomechanical test by replacement of the 3D printing porous titanium vertebral body and the 3D printing entity titanium vertebral body in porcine models. Methods Eighteen fresh similar porcine spinal specimens (L1-L6) were divided into 3 groups randomly: control group (without replacement), porous titanium vertebral body replacement group (L3replacement with porous titanium vertebral body), and entity titanium vertebral body replacement group (L3replacement with entity titanium vertebral body). The displacement and angle variation in flexion, extension, left/right lateral bending and left/right torsion were tested respectively. Results The results of displacement and angle variation in porous titanium vertebral body replacement group and entity titanium vertebral body replacement group were significantly different from those in control group in forward flexion, extension, left/right lateral bending (allP>0.05). Comparison of the angle variation displacement in porous titanium vertebral body replacement group and entity titanium vertebral body replacement group showed no statistically significant difference (allP>0.05), and the comparison of immediate stability index between porous titanium vertebral body replacement group and entity titanium vertebral body replacement group was had no significant difference (allP>0.05). Conclusion Two replacement methods of 3D printing artificial vertebral body can guarantee the immediate stability of spine biomechanics, but 3D printing porous titanium vertebral body is superior to entity titanium vertebral body in fusion.

Computer-aided design; Imaging, three-dimensional; Titanium; Reconstructive surgical procedures; Biomechanics; Internal fixators

10.3969/j.issn.1674-8573.2015.06.001

2014年深圳市衛(wèi)生計(jì)生系統(tǒng)科研項(xiàng)目(201401016)；深圳市未來產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)資金(CXZZ20140414170821148)

524023 廣東湛江，廣東醫(yī)學(xué)院研究生院(張偉彬)；深圳市第二人民醫(yī)院脊柱外科(陳揚(yáng)、楊欣建、楊澤雨、夏曉龍、錢文彬、藍(lán)濤)；中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究與發(fā)展中心(白雪嶺)

陳揚(yáng)，E-mail：drchenyang@163.com

2015-05-10