基于3D打印技术的人工颈椎间盘研制及实验研究

发布时间：2020-05-13 05:32

【摘要】：前言:颈椎病会造成持物困难、行走费力,往往会给人们的日常生活和工作带来极大的不便。目前我国约有10%的人患有颈椎病,且发病年龄呈低龄化的趋势,已经成为一个不可忽视的社会化问题。椎间盘退变是颈椎病最主要的致病因素,随着年龄的增长,椎间盘开始逐渐退变老化引起外层纤维环破裂,髓核突出造成神经压迫而产生神经学症状,这就是通常所说的得了颈椎病。长期以来临床上治疗颈椎病的手术方式主要是颈椎前路减压植骨融合内固定术(Anterior cervical discectomy and fusion,ACDF),被认为是治疗颈椎病的标准术式。ACDF通过切除病变的椎间盘以解除其对神经的压迫,并植入自体骨、异体骨或人工骨等方式融合相邻的运动节段来治疗颈椎病。但近年来的临床实践发现ACDF对颈椎病的治疗效果令人满意,但其导致邻近节段的椎间盘退变问题(Adjacent segment degeneration,ASD),还有如融合失败、内植物移位、沉陷等为其它问题,也都为ACDF这一手术留下了进一步改进的空间。近十余年来,能够恢复颈椎生理功能的人工颈椎间盘置换术(Artificial cervical disc replacement,ACDR)成为了治疗颈椎病新的发展方向。ACDR的优点是不仅能获得充分的减压效果,缓解颈椎病症状,又能保留颈椎的生理运动功能,从而理论上避免了ACDF术后邻近节段由于代偿性地过度活动而造成的退变加速。我国开展ACDR至今已有15年的历史,但一直采用的都是以上的进口产品。颈椎特征存在人种、地区等的差异,进口人工间盘假体均是按照欧美人种颈椎结构的设计,不完全适合国人的颈椎解剖特征,对于中国患者而言常常会出现不匹配的情况,有时会严重影响到置换手术的效果。此外,ACDR长期随访也出现了临近节段退变、假体移位、沉陷、异位骨化等临床并发症,导致这些并发症的原因可能就跟假体的设计、尺寸及力学不匹配等因素相关。在这种形势下,适合颈椎终板解剖学特征及生物力学特点的人工颈椎间盘的研发就显得非常重要且十分紧迫。3D打印技术,又称增材制造技术,是一种以数字模型文件为基础,运用塑料或粉末状金属等可粘合材料,通过“分层制造,逐层叠加”来构造物体的技术。由于3D打印特点是精准、复杂成型及个体化,符合骨科个体化治疗的发展方向,在骨科的应用走在前列。3D打印个性化金属假体的出现弥补了以往人工假体匹配性差的问题,现成为了骨科3D打印领域的重要发展方向。金属3D打印假体除快速复杂成型外,还可以在内植物表面或内部形成类似于骨小梁的微孔结构,为植入部位相邻骨组织长入提供条件,促进了假体与骨界面的骨性愈合,提高假体寿命。在ACDR手术中,人工间盘假体的尺寸及形状的匹配对保障手术成功起到重要的作用。因此,利用3D打印技术的精准结构、复杂成型优势可实现人工颈椎间盘材料性能及尺寸形状与椎体的最佳匹配。基于以上问题及需求,我们在优化设计了符合颈椎终板解剖学特征的人工颈椎间盘假体,并利用金属3D打印技术制备具有多孔终板结构的新型人工颈椎间盘,进行力学测试,分析其对颈椎生物力学的影响,并评价其对人成骨细胞的生物相容性,以期望能更好的满足临床患者的需求。方法:采用CT数据设计新型人工颈椎间盘,采用有限元分析法观察人工颈椎间盘对颈椎生物力学影响,主要包括颈椎活动度(ROM)、椎间盘内压力、小关节压力、假体-骨界面应力等。采用电子束熔融金属成型设备(EBM)进行Ti6Al4V及CoCrMo合金材料新型人工颈椎间盘的3D打印制备;通过共振阻尼式弹性模量仪测量多孔体样品的杨氏模量;人工间盘的压缩性能测试按照ASTM F2346-05(2011)标准进行,测试范围载荷为0-10000N;疲劳性能测试按照ASTM F2346-05(2011)标准进行,选取600N做为疲劳测试载荷考察两种材料的人工颈椎间盘的疲劳强度。进行体外生物力学测试,实验标本为人尸体颈椎标本,按照测试先后顺序分为完整组,新型人工颈椎间盘组,Prestige LP人工颈椎间盘组,Cage内固定组。采用Motion动态运动捕捉系统进行颈椎各节段的运动度(ROM)的测量;采用Tekscan压力分布式测试系统对小关节压力进行测量。采用沉淀法和水热法相结合的方式制备纳米羟基磷灰石(HAP)涂层;采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)与透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)对纳米羟基磷灰石进行化学结构与形貌分析,采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)与能谱仪(Energy dispersive spectrometer,EDS)对HAP涂层进行形貌与组成分析;采用免疫荧光染色观察各组材料对人成骨细胞粘附影响;采用CCK-8试剂盒观察材料对细胞活性的影响;采用流式细胞仪进行细胞凋亡检测。结果:设计新型假体具备和Prestige LP相同的球槽关节,但扩展了上下终板面积,具有穹隆顶形态终板,具有三个稳定齿;成功建立健康人C3-C7非线性有限元模型;新型间盘组与Prestige LP组具有相似的颈椎ROM,且与正常组相比均保留了颈椎ROM;新型间盘组与Prestige LP组的C4-C5及C6-C7椎间盘内压力与正常组相比无明显变化;新型间盘组、Prestige LP组与正常组各节段小关节接触力差别不大;两组应力峰值均分布在锚定齿上,新型间盘组的应力分布较Prestige LP组分布更均匀。采用3D打印技术成功制备了具有多孔终板结构的新型人工颈椎间盘;多孔结构的弹性模量与孔隙率趋势相反,值为0.4-20 GPa;压缩实验结果显示两种间盘在实验测试范围(0-10000N)内均处于弹性变形,并未失效;疲劳实验结果显示在600N载荷下循环10~7周次后,样品均未失效,表面多孔结构也未失效。体外生物力学实验结果显示C5-C6节段的完整组、新型人工颈椎间盘组及Prestige LP人工颈椎间盘组各方向无显著性差异,Cage固定组的各个方向ROM显著性降低;Cage固定术后C5-C6节段小关节压力在后伸、左侧弯及右旋转三个方向活动下较新型间盘组及Prestige LP组明显降低,其余各组间无显著性差异。在多孔Ti6A4V及CoCr Mo合金表面成功制备了纳米HAP涂层;多孔Ti6Al4V合金、多孔CoCrMo合金、纳米HAP涂层的Ti6Al4V合金及纳米HAP涂层的CoCrMo合金片表面均有成骨细胞粘附生长,涂层组的成骨细胞肌动蛋白微丝束较无涂层组有更好的伸展;纳米HAP涂层的Ti6Al4V合金及纳米HAP涂层的CoCrMo合金片细胞存活率显著高于多孔Ti6Al4V合金、多孔CoCrMo合金以及空白对照组;各组材料诱导的人成骨细胞凋亡无明显差异。结论:依据CT数据建立了C3-C7完整的、有效的有限元模型,在此有限元模型中分析了新型人工颈椎间盘、Prestige LP人工颈椎间盘置换术后的生物力学,发现人工颈椎间盘可以减低邻椎病的发生,同时新型人工颈椎间盘比Prestige LP人工间盘在降低沉陷发生风险上更具优势。采用EBM技术可成功3D打印具有多孔、穹窿顶终板形态的新型人工颈椎间盘,降低了Ti6Al4V及CoCrMo合金的弹性模量,且在抗压缩及抗疲劳方面均能满足人体力学要求。体外生物力学显示,新型人工颈椎间盘置换与Prestige LP人工间盘置换类似,都能较好的维持颈椎正常的生物力学。比ACDF相比,ACDR后手术节段活动度获得了保留,且小关节压力与正常颈椎运动时压力变化基本一致。通过水热法能成功制备纯相羟基磷灰石纳米棒。并且通过原位沉积法能有效的在3D打印钛合金和钴铬钼合金材料表面沉积纳米HAP涂层。3D打印合金及纳米HAP涂层的合金并未促进人成骨细胞的凋亡发生,且各组间无统计差异,此外,HAP涂层可以促进成骨细胞粘附及增殖。纳米HAP涂层多孔3D打印钛合金和钴铬钼合金具有潜在的应用价值。
【图文】：

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2.1 试验材料、设备、软件等2.1.1 CT 原始数据获取从我院影像数据库中选 1 例颈椎 CT 数据，健康女性，30 岁，已排除颈椎畸形、创伤、颈椎病史。CT 数据采用 Lightspeed 系统（GE 公司，美国）扫描获取，扫描参数：120 kV，125 mA，层厚 0.625 mm，范围为颈 1 椎体（C1）到颈 7 椎体（C7）下缘；数据采集完成后以标准 Dicom 格式刻录光盘保存。2.1.2 测量及有限元分析数据分析软件颈椎参数测量及有限元分析软件主要包括：Windows 8 X64 Professional Edition（MicroSoft 公司，美国）；Mimics 19.0（Materialise 公司，比利时）（图 2.1）；Geomagic Studio 2014（3D Systems 公司，美国）（图 2.2）；ANSYS 18.0（ANSYS 公司，美国）（图 2.3）。

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图 2.2 Geomagic Studio 2014 软件界面图，3D Systems 公司，美国图 2.3ANSYS 18.0 软件界面图，，ANSYS 公司，美国2.1.3 金属 3D 打印设备
【学位授予单位】：中国医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.17;TP391.73

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