3D打印n-HA/PA/PCL/DBM个体化仿生椎间融合器的设计构建及其促进融合的机制研究

Intervertebral cage is a critical factor that determines the effect of reconstruction of intervertebral fusion. This project focus on the bottle-necks of present cage which easy to subsidence and lack of osteoinduction, organic combine three advanced techniques (Fused Deposition Modeling 3D printing, porous scaffolds, and osteoinductive composite materials), utilize bionic n-HA/PA which developed by our self in earlier stage as frame materials, to fabricate the individualized biomimetic n-HA/PA/PCL/DBM cage which has a matching shape with the target segment; has a matching frame structure (“Dense part + 3D porous scaffold part”) with “cortical shell + cancellous bone” structure of the target vertebra; has a matching elasticity modulus (regulate the pore size of 3D scaffold part to get different elasticity modulus) with corresponding part of target vertebral cancellous bone; and has prominent osteoinduction by compound with PCL/DBM granules into the porous part. Through the in vitro and in vivo tests, the abilities of promoting osteogenesis and avoiding subsidence of this new cage will be verified. We can also clear the mechanisms of individualized biomimetic shape and elasticity modulus in promoting fusion, then to provide a new idea for ideal cage design, and to solve the bottlenecks of intervertebral fusion devices.

椎间融合器（Cage）是决定椎间融合术重建效果的关键。本项目针对目前Cage所存在的容易下沉及缺乏成骨诱导性等发展瓶颈，通过有机结合熔融层积建模3D打印、多孔支架材料以及骨诱导复合材料三种技术，利用前期自主开发的n-HA/PA仿生材料作为Cage框架材料，构建一种在大体外形上能与目标节段相匹配；在框架结构（“外层致密体+内层3D多孔支架体”）上能与目标椎体“皮质壳+松质骨”结构对应匹配；在弹性模量上（调整多孔支架孔径大小获得不同弹性模量）能与目标椎体松质骨相应部位弹性模量相匹配；同时具备骨诱导性（多孔支架体内部复合PCL/DBM）的个体化仿生型n-HA/PA/PCL/DBM Cage。通过动物体外、体内试验验证所制备Cage促进成骨及避免下沉的能力，进而明确Cage个体化、仿生性的外形及弹性模量在促进椎间融合中的作用，为理想型Cage的设计提供新的思路，解决目前椎间融合材料瓶颈问题。

颈椎前路椎间盘切除植骨融合内术（ACDF）是颈椎单节段病变最为经典的手术方式，既往使用的椎间植入材料如自体髂骨、同种异体骨和椎间融合器（Cage）均取得了较好的临床融合效果，但均存在多种弊端，比如临床上常见的取骨区域并发症、Cage下沉现象等。近年来，多孔材料作为骨科内植物广泛应用于临床，随着3D打印技术的发展，使材料个体化设计、控制微孔形态及微孔贯通性成为可能。本实验根据山羊颈3-4节段椎间高度及CT横断面图像设计了外形匹配椎间隙形态、四壁小孔径多孔结构起支撑作用、内部大孔径多孔结构弹性模量近似于松质骨的个体化仿生多孔Ti-6Al-4V Cage，通过选择性激光熔融技术（SLM）制备了个体化仿生多孔Ti-6Al-4V Cage，其压缩强度明显优于非金属Cage和山羊三面皮质髂骨块，满足Cage植入的生物力学要求；建立山羊颈椎3-4节段椎间盘切除个体化仿生多孔Ti-6Al-4V Cage植入模型，进行影像学、组织学、生物力学等评价，结果显示本研究所设计的Cage在随访过程中良好的维持了椎间高度和椎间前凸角度，具有避免下沉的作用，但在融合情况上，本Cage因孔径过大，且未进行表面处理等原因，Micro CT及组织学检查均显示骨长入效果不佳。本研究设计了3种不同微孔孔径的Cage，旨在比较孔径大小及弹性模量对于骨长入情况的影响，由于3组Cage骨长入情况均不佳，尚无法得出相应结论。本研究的科学性在于：通过将Ti-6Al-4V粉末打印成多孔材料，调控其弹性模量至与骨接触区域近似，可有效避免临床常见的下沉及应力遮挡效应；同时，多孔结构自身利于成骨细胞黏附，可促进骨组织长入，减少手术中自体骨的需求量；但本实验融合效果不佳，有待进一步实验通过表面改性、涂层或添加骨诱导复合材料等方式达到良好的骨愈合效果。本研究支持下，共发表SCI论文2篇，中文核心期刊论文1篇，申请1项实用新型专利。