新型一体化人工枢椎的3D打印研制及相关生物力学研究

发布时间：2020-06-16 01:31

【摘要】：[目的]枢椎病灶切除后的重建一直是脊柱外科的难点,目前仍缺乏合适假体进行重建和固定。本研究尝试应用计算机辅助设计及激光选区熔化金属3D打印技术研制一种完全个性化设计的人工假体,为枢椎肿瘤切除后的重建提供解决方案。[方法](1)新型一体化人工枢椎重建体的研制:采用计算机辅助设计技术及逆向工程软件进行人工枢椎的设计,根据置钉的位置添加上下椎节的固定,形成一体化假体,采用医用钛合金粉末激光选区熔化成型。(2)新型一体化人工枢椎假体重建的力学有限元分析:CT扫描获取正常成年上颈椎Dicom格式数据,导入Mimics软件,进行三维重建,分离出C0-4模型,以STL格式导入Geomagic Studio 2013重建实体模型,以STEP格式导入Solidworks 2012建立模型,模拟枢椎切除,建立一体化人工枢椎及异形钛网重建固定的三维有限元模型,导人ANSYS 13.0有限元软件进行分析比较两套内固定系统的力学性能。(3)四种不同固定方式的一体化人工枢椎的力学有限元分析:同(2)的方法建立颈椎模型,模拟枢椎切除术,根据C3椎体4种不同固定方式分别建立一体化人工枢椎重建的三维有限元模型:椎体左右侧螺钉(A组),椎体上下位螺钉(B组),一侧逆向椎弓根螺钉和一侧椎体螺钉(C组),双侧逆向椎弓根螺钉(D组)。计算并评估C3椎体上螺钉的应力和4种假体的位移。(4)新型一体化人工枢椎与异形钛网重建的生物力学比较:新鲜人枕颈椎标本6例,实施枢椎切除,对每具标本分别进行新型一体化人工枢椎重建固定及异形钛网重建固定,比较6种工况下两种内固定方式的三维稳定性。[结果](1)成功研制并3D打印出由寰椎侧块螺钉、C3逆向椎弓根螺钉(或椎体钉)及枢椎假体组成的新型一体化人工枢椎。(2)在4种不同工况下,一体化人工枢椎假体的最大应力值和最大位移值均小于异形钛网;除前屈状态外,一体化人工枢椎对C3上终板的最大应力值均低于异形钛网。(3)前屈工况下,C3螺钉的应力最大;最大应力值依次为A组D组C组B组;假体C2的最大位移值依次D组C组B组A组。(4)新鲜尸体标本生物力学分析两套模拟枢椎切除重建内固定系统力学效能,最大活动度均出现在后伸状态,新型一体化人工枢椎假体组在6个维度均优于异形钛网组。[结论](1)成功研制出一种新型一体化人工枢椎。(2)通过有限元分析,新型一体化人工枢椎假体前路重建可提供足够的固定强度和稳定性。(3)对比异形钛网,新型一体化人工枢椎假体具有更好的稳定性和更低的应力。
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318
【图文】：

柱系统,轴向应力,轴向力,关节面

侧寰枕关节，Ｃ１的楔形侧块则是遵循向外侧分散的原则将重量再向下转移到Ｃ２逡逑的两个关节面上，Ｃ２椎体上的进一步载荷由２个力学矢量变为Ｃ２－３界面上的３逡逑个力学矢量Ｕ］（图１－１）。逡逑图１－１逦寰枢椎的轴向应力分布：寰枢椎复合体的２柱系统和Ｃ２－３复合体的３柱系统，红逡逑线表示通过上颈椎的轴向力。线的宽度表示应力的大小。短的黑色线条表示关节面的轮廓。逡逑（引至邋Ｊｅｓｚｅｎｓｚｋｙ邋Ｄ，Ｆｅｋｅｔｅ邋Ｔ邋Ｆ，邋Ｍｅｌｃｈｅｒ邋Ｒ，邋ｅｔ邋ａｌ．邋Ｃ２邋ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ：邋ａｎｔｅｒｉｏｒ邋ｕｐｐｅｒ邋ｃｅｒｖｉｃａｌ邋ｆｉｘａｔｉｏｎ逡逑ｄｅｖｉｃｅ邋ｔｏ邋ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ邋ｔｈｅ邋ｓｅｃｏｎｄ邋ｃｅｒｖｉｃａｌ邋ｖｅｒｔｅｂｒａｆＪ］．邋Ｅｕｒｏｐｅａｎ邋Ｓｐｉｎｅ邋Ｊｏｕｒｎａｌ

草图,设计流程,枢椎,颈椎

医用钛合金粉末通过激光选区熔化成型，内部具有仿松质骨微孔结构，便于新逡逑生骨长入，使其实现可靠支撑的同时获得更为理想的力学固定强度。新型一体逡逑化人工枢椎是由寰椎侧块螺钉、Ｃ３逆向椎弓根螺钉（或椎体钉）及枢椎假体组逡逑成。逡逑１．３设计步骤及制定流程逡逑１、６４排螺旋ＣＴ扫描颈椎，获取颈椎断层的模型数据，用Ｄｉｃｏｍ格式数据存逡逑盘；逡逑２、在Ｍｉｍｉｃｓ邋１６．邋０软件中导入颈椎Ｄｉｃｏｍ格式数据，储存为ＳＴＬ格式数据后逡逑导入Ｇｅｏｍａｇｉｃ邋２０１３软件中消除模型噪点，将枢椎齿突、椎板、椎弓等附件去除，逡逑保留枢椎椎体及上方关节面，下终板等特征结构，并获得三维实体模型，以ＳＴＥＰ逡逑格式保存，数据保存后转入ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ邋２０１３三维建模软件中进行设计；逡逑３、在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ邋２０１３软件中根据颈椎模型的个性化轮廓，通过拉伸和切逡逑除指令建立与之相匹配的内固定模型，在枢椎相应位置放置直径１２ｒａｍ的圆，通逡逑过放样特征，获得假体主体形状。（如图１－３）将获得的实体复制，将原实体隐逡逑藏。该复制实体用来制作多孔内部结构模型，原模型则用以制作外壳，该操作逡逑便于后续的实体修改。此时需要将复制实体挖一条通道，可以植入人工骨，以逡逑促进植骨区的生长修复。设计要求植入的人工骨能与上下颈椎骨面直接接触，逡逑中间通道不能过大，故画出如下草图，使用放样切除特征。逡逑

【参考文献】