基于电子束熔融技术构建的不同孔隙结构的新型自稳定型人工椎体的相关研究

Many diseases, such as tumors, trauma, and tuberculosis can destroy the stability of spine. Vertebral body replacement (VBR) through an anterior approach is a widely accepted procedure for reconstructing spinal stability at present. The conventional artificial vertebral body has many drawbacks, autogenous bone graft may cause donor site pain, infection, allograft bone may occur spread of disease. Internal fixation may be loosening or fracture, mismatch between Young modulus of the implant and that of the host bone can lead to a stress shielding effect that will eventually cause the implant to fail. The conventional artificial vertebral body has a fixed size which can not exactly matches the size of grafting sites. 3D printing technology is a popular technology applied in clinic in recent years. It can build implants consistent with the shape of transplanted site, and the shape and microstructure of implants can be completely controlled. In this study, we compared the novel self-stabilizing artificial vertebral body with different pore structure fabricated by 3D printing (electron beam melting, EBM) with titanium mesh in cervical corpectomy sheep model, then the tissue fusion, implants settlement, bone ingrowth and cervical biomechanics at different time points were observed, the novel artificial vertebral body does not need additional fixation such as titanium plate, it has the characteristics of low profile and self stability, and its porous structure can enable bone tissue to grow into it, so as to maintain spinal stability, it has a good prospect of clinical application.

肿瘤，外伤，结核等多种疾病都会导致脊柱稳定性的破坏。而椎体置换是目前临床上重建脊柱稳定性的主要手段。但如单纯支撑型、可扩张型人工椎体等传统人工椎体均存在着弹性模量与自体骨不匹配、易沉降或移位、需额外取骨，尤其是无法做到个体化生产等缺点。因此，如何构建与移植部位结构形状相匹配的，能够有效与周围骨组织融合的人工椎体就成为骨科研究的热点之一。3D打印技术是近年来应用于临床的一项热门技术，其可构建出与移植部位结构形状一致的植入物，且可做到植入物的形状及微观结构完全可控。本研究拟利用3D打印技术之一的电子束熔融技术构建出具有不同孔隙结构的多孔钛合金新型个体化人工椎体，之后构建小尾寒羊颈4椎体次全切除模型，将人工椎体植入，观察不同时间组织融合、假体沉降、骨长入量、颈椎生物力学等情况，对具有不同微观结构的新型人工椎体进行评价，为其最终应用于临床提供参考。

多孔金属材料是近年来骨科植入物材料领域的研究热点之一。尤其是具有良好的生物相容性及骨整合效应的钛铝钒合金（Ti6Al4V）。电子束熔融技术（EBM）是3D打印技术的一种，此技术可以做到内植物结构形状的可控，而且可以做到力学性能的可控。本研究以3D打印技术为基础，通过EBM技术，制备出3种具有不同孔隙结构的多孔钛合金新型个体化人工椎体，首先比较这3种不同孔隙结构（立方体结构、钻石晶格结构、菱形十二面体结构）椎体的结构表征、力学。之后，将人工椎体植入小尾寒羊颈椎，比较其在体内生物相容性、假体沉降、骨长入量、颈椎生物力学的不同情况。3种不同孔隙结构主要进行以下表征：通过力学测试仪器、扫描电子显微镜观察各组椎体的显微结构并测量椎体孔径、绘制椎体的应力-应变曲线并检测压缩模量。材料表征及力学结果显示3种不同孔隙结构人工椎体在制备过程中无杂质产生，材料的孔隙率、孔径大小及压缩力学性能基本复合人工椎体要求。以上结果表明可通过对制备参数的调节设计出个性化人工椎体，实现对微观结构及力学性能的调控，以达到最适的人工椎体。体内实验构建小尾寒羊颈椎置换模型，将上述制备的3种不同孔隙结构人工椎体，通过颈4椎体次全切除术植入小尾寒羊体内，分别于不同时间点取出颈椎标本，进行大量观察、Micro-CT、组织学及生物力学检测，分析其植入情况。全部3种结构椎体均完成了体内动物椎体置换实验。但由于疫情原因，仅完成了立方体结构人工椎体的3个月的测试。结果显示立方体人工椎体，骨组织均能够长入，能够较好地维持小尾寒羊颈椎椎体的次全切后的稳定性。体内外实验结果表明本研究构建的不同孔隙结构人工椎体在个体化人工椎体置换领域具有一定的可行性。本项目尚未完成，后续实验将继续进行，以完善实验数据。获得最准确的结论。本研究共发表1篇期刊论文，2项专利。