新型3D打印多孔钛人工椎体在猪脊柱模型置换前后的生物力学测试研究*

杨泽雨杨欣建陈扬*张伟彬夏晓龙蓝涛朱峰张小骞

论著·实验研究

新型3D打印多孔钛人工椎体在猪脊柱模型置换前后的生物力学测试研究*

杨泽雨1杨欣建2陈扬2*张伟彬2夏晓龙2蓝涛2朱峰1张小骞2

目的通过对新型3D打印多孔钛人工椎体在猪脊柱模型置换前后的生物力学测试比较研究，评价该新型3D打印人工椎体的活动范围情况和即刻的生物力学稳定性。方法选取18具新鲜相近的猪脊柱标本（L1-L6），根据 L3椎体置换前后，分为置换前组和置换后组。分别测试前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转的位移角度变化。结果在0～8N.m逐级加载中，置换后组运动节段在前屈、后伸、左右侧屈各向量的位移角度变化明显小于置换前组，差异有统计学意义（＜0.05），而在轴位旋转位上，两者无显著性差异（＞0.05）。结论新型3D打印人工椎体的设计具有合理性和创新性，在猪脊柱模型L3椎体置换后，即刻可获得良好的生物力学稳定性。

3D打印；多孔钛；人工椎体；生物力学测试

1 材料与方法

1.1 材料

选用健康广东紫金蓝塘猪（6月龄）脊柱标本18具，大体观察及 X线摄片排除畸形变异、骨结构破坏等疾病，分别于T14/L1、L6/S1处离断椎间盘、韧带及关节囊，完整取出L1-L6脊柱结构。去除椎体肌肉、脂肪、结缔组织及其他软组织，完整保留所有韧带（前纵韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带）、小关节囊、椎间盘和骨结构。用咬骨钳修正标本两端，修剪L1小部分横突及L6下关节突，以利于将其置入模具中，四周可上螺钉进行固定。标本包埋固定后，多层保鲜膜包裹，严格密封保存于低温冰箱中。生物力学测试前将保本置入室温下（20～25℃）自然解冻12小时。根据L3椎体置换前后将其分为置换前和置换后两组。

1.2 仪器

万能材料试验机：Instron-E1000；中科院深圳先进技术研究院（见图 1）。光学定位系统：Polaris Hybrid Spectra；中科院深圳先进技术研究院（见图2）。

图1 万能材料试验机

图2 光学定位系统

1.3 实验方法

在L1-L6完整脊柱标本（见图3）相应各节段椎体前方、横突或者棘突上固定一红外反光小球作为标志物，并将模型固定在万能材料试验机上，下端固定，上端加载应力。根据腰椎三维运动情况，对正常猪脊柱模型标本加载应力，观察其在前屈、后伸、侧弯、扭转位椎体的的位移及角度变化，记录为置换前组。加载力矩为0N.m逐步加载至8N.m，加载速度为2N.m/min，这样逐级加载可消除样本的蠕动。测试过程应小心，避免对韧带、关节囊的破坏。每个标本进行加载、卸载重复3次，两次间隔1分钟，以消除标本的蠕动。利用光学定位系统对每个反光小球的三维运动进行追踪，依次测量各节段椎体的运动范围。该实验在生理负荷下进行，不破坏脊柱的生物力学结构，保证标本的完整，以便于正常测试后行 L3椎体全切除术。刮磨邻近椎体终板，行新型3D打印多孔钛人工椎体置换，不破坏后方韧带复合体，置换后上下各2个螺钉与上下椎体固定（见图4），然后将标本固定于多功能生物力学测试机上，相同方法进行生物力学测试，并记录为置换后组。测试过程中应保持脊柱标本表明的湿润，保持标本的新鲜。

图43 D打印多孔钛人工椎体置换后

图3 正常猪脊柱椎体生物力学测试

1.4 统计学处理

结果采用SPSS19.0软件进行数据处理和方差分析，结果数据均采用均值±标准差（s）表示，两组间比较采用配对 检验，＜0.05表示统计学有显著差异。

2 结果

测试过程顺利，测试结束后检查未发现后方韧带复合体破坏，人工椎体滑脱、螺钉松动等并发症。

生理负荷下，猪脊柱模型载荷大小与椎体位角度移变化呈正相关，位移随着载荷增加而增加，卸载后可恢复原形，呈弹性变形状态。

从活动度上看，实验中置换前组在前屈、后伸、左右侧弯的活动度均要明显大于置换后组（＜0.05），表明多孔钛3D打印人工椎体稳定性良好，同时也说明固定节段部分限制了腰椎的活动，但对脊柱整体活动度无明显影响。

经以上分析表明，3D打印多孔钛人工椎体生物力学测试稳定性性能良好，可重建脊椎术后的即刻稳定性。

表1 猪脊柱模型在多孔钛人工椎体置换前后的角度变化（°）

3 讨论

本研究中设计的人工椎体，采用多孔钛金属材料制成，人工椎体上下两端设计平整，同传统钛网的锐利边缘相比，可明显减少术后邻近终板骨折、塌陷、移位等并发症；且无需大量植骨，减少了取骨区的相关并发症。多孔支架结构设计还具有增强细胞粘附，促进细胞分化等功能[4]。相关研究表明，多孔支架结构还可诱导骨长入，骨生长后，形成一个类似于"钢筋混凝土"结构，可使抗压强度明显增加。Parthasarathy等报道多孔金属结构的强度取决于架构的大小及孔隙度[5]，而通过3D打印工艺，可个性化控制打印椎体的大小、形状，以及孔隙的大小，进而改善其强度已满足使用要求。

本实验中采用猪作为实验动物模型，因为猪的下胸椎及腰椎脊柱结构与人类定性相似，椎体大小相近，一定载荷下与人的生物力学行为相近，在以往的实验研究中也证实了猪脊柱作为离体生物力学测试模型的有效性[6,7]。

在既往的脊柱生物力学测试研究中，通常采用脊柱运动范围（ROM），即节段间的角度和位移变化来评价脊柱的稳定性[8]，作为衡量内固定器械成功与否的标志。本实验中，3D打印多孔钛人工椎体置换后，猪脊柱模型在前屈、后伸、左右侧屈的活动度均较正常脊柱模型组明显变小，但在左右扭转方面，两者活动范围相近。前屈、后伸、左右侧屈位因切除 L3节段的椎体，置换人工椎体后并与上下椎体螺钉固定锁死，因牺牲了一个节段的活动度，故而减小。但就全脊柱活动度而言，并无太大的影响。在左右旋转方位，考虑因为椎体置换只在脊柱前路进行，未对椎体后方小关节等造成破坏，故两者相近，统计学上并无显著差异。

目前，3D打印人工椎体的临床应用研究方面仍然较少鲜有报道。2014年，Yang J等[9]曾在山羊脊柱模型上证实了通过通过EBM技术制作的新型人工椎体能很好的维持颈椎的稳定性，并检测到多孔金属结构中良好的骨长入。刘忠军[10]等在2014年完成了世界上首例应用3D打印人工枢椎治疗寰枢椎恶性肿瘤。笔者也曾应用3D打印椎体在猪模型全脊柱整块切除术中作了初步探索，并验证了其可行性[11]。

本研究尚有一些不足之处，一是应完善长周期的疲劳试验及抗屈试验，才能更全面的评价3D打印多孔钛人工椎体在人体正常生理负荷下的耐受情况。二是应增设前路钛笼加钢板内固定组，同传统术式作生物力学上的比较。三是后续还应完善生物相容性测试，并观察多孔结构中骨长入等情况。

[1] Yang L,ChenW J,ZhuW T,etal.Single-level Lumbar Pyogenic Spondylodiscitis Treatedw ithM inimally Invasive AnteriorDebridementand Fusion Combined w ith Posterior Fixation viaWiltse Approach[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology[MedicalSciences],2013,33(5):707-712.

[2] Dreimann M,Viezens L,Hoffmann M,etal.Retrospective feasibility analysisofmodified posteriorpartialvertebrectomyw ith 360-degree decompression in destructive thoracic spondylodiscitis[J] ActaNeurochir(Wien).2015,157(9):1611-1618.

[3] HeM,Xu H,Zhao J,etal.Anterior debridement,decompression, bone grafting,and instrumentation for lower cervicalspine tuberculosis[J].Spine Journal Official Journal of the North American Spine Society,2014,14(4):619-627.

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[5] Parthasarathy J,Starly B,Raman S,etal.Mechanicalevaluation of porous titanium(Ti6A l4V)structures w ith electron beam melting (EBM)[J].MechBehav Biomed Mater,2010,3(3):249-259.

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[9] Yang J,CaiH,LvJ,etal.In vivo study of a self-stabilizing artificial vertebralbody fabricated by electron beam melting[J].Spine(Phila Pa1976).2014,39(8):486-492.

[10]刘忠军.世界首例应用3D打印技术人工定制枢椎椎体治疗寰枢椎恶性肿瘤.2014北京大学3D打印骨科应用国际论坛.

[11]钱文彬，杨欣建，蓝涛，等.3D技术打印椎体在全脊椎整块切除术中应用的初步探索[J].生物骨科材料与临床研究，2015，12（02）:9-11，16.

Biom echanical test research before and after the rep lacem ent of the novel 3D printing porous titanium artificial vertebralbody in porcinemodels

Yang Zeyu1,Yang Xinjian2,ChenYang2,et al.1 Shenzhen Second People's Hospital A ffiliated to Anhui Medical University,Shenzhen Guangdong,518000;2DepartmentofOrthopaedics,Shenzhen Second People'sHospital,Shenzhen Guangdong,518000,China

3Dprinting;porous titanium;artificialvertebralbody;biomechanical test

R318.01

A

引言

2014年深圳市科技创新委技术开发项目（CXZZ20140414170821148）；卫计委（201401016）

1安徽医科大学深圳市第二人民医院临床医学院，广东深圳518500；2深圳市第二人民医院脊柱外科，广东深圳518500翻修的缺点。本研究旨在通过3D打印技术设计制作新型人工椎体，改善传统骨替代物的一些不足之处，并探索其在猪脊柱模型上应用的可行性。

杨泽雨（1991-）男，硕士。研究方向：脊柱外科。

*[通讯作者]陈扬（1965-）男，博士，主任医师。研究方向：脊柱外科。

2015-09-27)

10.3969/j.issn.1672-5972.2016.01.003

swgk2015-09-00193

[Abstrat]Objective To evaluate therange of activity and immediate biomechanicalstability of thenovel3D printing of artificialvertebralbody through thebiomechanicalcomparativestudy beforeand after replacementof thenovel3D printing porous titanium artificialvertebralbody in porcinemodels.M ethods Selected 18 fresh sim ilar porcine spinalspecimens (L1to L6),and divided them into two groupsbased onwhether the replacementof the L3vertebralbody.Thedisplacement and anglevariation in flexion,extension,left/rightlateralbending and left/righttorsionwere tested respectively.Results In the0 to 8N.m loading by degrees,The displacementand angle variation of TestGroup in forward flexion,extension, left/right lateralbendingweresignificantly less than ControlGroup.Thedifferenceswerestatistically significant(＜0.05). But in the left/right torsion,therewas no significantdifference(＞0.05)between two groups.Conclusion The design of the 3D printing artificial vertebralbody is rationaland innovative,we could obtain good biomechanical stability immediately after the replacementof the L3vertebralbody in porcine spinalmodels.

多种病理因素可导致椎体前柱的缺陷，如肿瘤、骨折、结核、其他感染因素[1,3]等，进而导致脊柱失稳，甚至出现神经、脊髓损害症状。前路椎体切除术或者次全切术是传统常用的手术方式，并常以自体髂骨移植或钛网重建恢复椎体高度及力学稳定性。自体髂骨移植有着骨量不足、供骨区并发症及不能提供即刻稳定性等缺点；钛网两端锯齿状结构可嵌入椎体，提高其融合率同时减少位移，但其下沉率高，长期应用出现椎间隙高度丢失而再次出现神经症状，而需再次