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3D打印寰枢椎侧块融合器的设计和解剖应用

2025-03-20 83 上传者：管理员

摘要：目的设计一款基于解剖学测量及3D打印技术应用的新型寰枢椎侧块融合器，并初步探索其生物力学特性和应用。方法通过干燥骨性尸体标本和影像学测量获取寰枢椎侧块关节解剖数据，包括：寰椎侧块矢状径、横径，枢椎侧块矢状径、横径，侧块关节间高度，侧块关节面角度。应用Minics软件，Inspire2018软件建立寰枢椎侧块融合器模型并通过有限元分析其在垂直压缩，前屈后伸，侧方屈曲的生物力学特性。使用3D打印机器按照有限元分析模型打印出融合器，使用尸体标本模拟后路寰枢椎椎弓根螺钉内固定+双侧侧块融合器置入术并观察融合器位置。结果将根据解剖数据电脑设计的融合器做有限元生物力学分析显示垂直压力为700 N时，融合器最大变形1.84×10-2 mm,最大等效应力5.92×10～2 MPa;当前侧加载力1 000 N,后侧加载力500 N时，融合器最大变形1.3×10-3 mm,最大等效应力7.31×10～2 MPa;当前侧加载力500 N,后侧加载力1 000 N时，融合器最大变形3.79×10-2 mm,最大等效应力6.99×10～2 MPa;侧方屈曲上表面加载力700 N,加载扭矩2 N.m时，最大变形2.70×10-2 mm,最大等效应力5.31×10～2 MPa,均满足应力要求。模型上行后路寰枢椎椎弓根螺钉内固定+双侧侧块融合器置入术后见双侧融合器及椎弓根螺钉位置良好。结论 3D打印寰枢椎侧块融合器在有限元分析和尸体上的初步探索提示能满足寰枢椎融合术的需求。

关键词：
3D打印
寰枢椎侧块
有限元分析
融合器
解剖学
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寰枢椎,即C1~2椎体,在颅骨与中轴骨之间起到承上启下的关键作用,周围环绕着中枢神经及大血管等重要结构｡其解剖学特征不同于下颈椎,最突出之处在于寰枢椎关节是依靠枢椎齿状突与寰椎前后弓之间的韧带复合体､关节囊以及两侧的侧块关节维持稳定和带动活动｡而后路寰枢椎固定融合术是治疗寰枢椎各类严重疾患,如颅底凹陷症､骨折脱位不稳等的主要手术方式,一直以来都是脊柱外科领域中的难点[1-3]｡其中后路椎弓根螺钉融合术是目前后路寰枢椎融合术的主要方式[4],但这项技术存在术后即可稳定性较差,术后通常需较长时间配带外固定以及可能出现后期植骨不融合或骨吸收等一系列并发症的问题,影响远期寰枢椎稳定性,造成神经进一步损伤和二次手术可能｡为解决上述问题,有学者研制了寰枢椎侧块融合器,并在力学实验和解剖应用中取得了一定成果[5-6]｡然而前人研究中,融合器均使用聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)材料｡现如今3D打印技术结合钛合金材料是比较火热的新兴技术,目前已用于全世界各行各业｡在医学领域尤其是骨科领域,3D打印技术已广泛用于关节置换[7-8],椎间融合[9]等方面,并有文献肯定其生物力学稳定性及远期疗效[10-11]｡本研究以解剖测量为基础,设计一款3D打印寰枢椎侧块融合器,通过有限元分析和新鲜尸体应用对其进行初步探索,为未来进一步研究做基础｡

1、材料与方法

1.1解剖数据获取使用电子游标卡尺(精度:0.02mm)测量12具成人寰枢椎干燥骨标本侧块关节的矢状径,横径和斜径,见图1A~B｡利用64排螺旋CT(Siemen公司)测量30例正常成年人(性别不限)寰枢椎侧块关节的高度,枢椎侧块斜径和寰椎侧块斜径,见图1C~E｡数据测量由两名脊柱外科医师独立测量2次后取平均值｡

图1干燥寰枢椎骨性标本和正常人CT的测量

2有限元分析通过螺旋CT扫描一名24岁男性正常颈椎序列,扫描层高0.75mm,层厚0.75mm,通过工作站将扫描获得的DICOM图像导入计算机中,利用Minics软件建立几何实体模型｡再将Minics模型导入Unigraphics软件系统中处理,根据寰枢椎侧块解剖数据设计侧块融合器的形态及大小,并将融合器置于侧块关节处｡见图2｡利用Inspire2018软件,设定钛合金材料的弹性模量为110GPa,网格弹性模量为3GPa,综合弹性模量13~15GPa,屈服强度435MPa｡分析融合器在垂直压缩,前屈后伸,侧方屈曲及扭转的生物力学特性｡

图2利用Mimics软件和Unigraphics软件系统构建的人颈椎和寰枢椎融合器置入模型

1.33D打印融合器的制备本研究的融合器3D打印采用多孔Ti6Al4V作为支架,这类Ti6Al4V制成的内植物能形成较好的骨—植入物的生物相容性,并有利于骨长入和整合[12]｡内部结构参数设置为孔隙率80%,孔径(800±200)μm的类骨小梁结构,孔隙之间相互连通,剩下部分为实心钛合金支架｡然后将建立好的多孔钛合金模型数据存为STL数据格式,导入3D打印机进行3D打印｡融合器最高高度设定为3mm､4mm､5mm三个型号,融合器前端有一约30°的坡度,前后缘高度差约0.7mm｡融合器矢状径设定为13mm,横径为8mm,融合器中央设计一个矩形植骨槽以便术中植骨填充｡见图3｡

图33D打印融合器的俯视图及侧视图

1.4融合器初步应用为了初步探讨3D打印寰枢椎侧块融合器的应用,我们制备了规格为13mm×8mm×4mm的融合器2枚,并于贵州医科大学解剖教研室获取一名成年男性尸体标本,并将融植入寰枢椎双侧侧块间隙,通过拍照和CT检查观察融合器位置｡

2、结果

2.1解剖测量结果寰枢椎干燥骨标本的解剖学测量,其矢状径､横径及斜径的测量数据左右两侧无明显统计学差异(P>0.05);寰枢椎CT测量寰枢椎解剖学数据,其横径､斜径及侧块间高左右无统计学差异(P>0.05)｡见表1~2｡

表1干燥骨性寰枢椎侧块标本的测量结果[(x-±s),mm]

表2影像学寰枢椎侧块的测量结果[(x-±s),mm]

2.2有限元分析有限元分析中的融合器规格设定为融合器矢状径13mm,横径8mm,高度4mm｡垂直压力为700N时,融合器最大变形1.84×10-2mm,最大等效应力5.92×102MPa｡前侧加载力1000N,后侧加载力500N时,融合器最大变形1.3×10-3mm,最大等效应力7.31×102MPa｡前侧加载力500N,后侧加载力1000N时,融合器最大变形3.79×10-2mm,最大等效应力6.99×102MPa｡而表面加载力700N,加载扭矩2N.m时,最大变形2.70×10-2mm,最大等效应力5.31×102MPa｡融合器在中立位垂直压缩､前屈后伸位､侧方屈曲及扭转位上均具备良好的生物力学稳定性｡见图4｡

3、讨论

后路寰枢椎固定融合术是治疗寰枢椎疾患,包括外伤性寰枢椎骨折脱位､寰枢椎畸形和颅底凹陷症等多种疾病的主要手术方式之一｡而寰枢椎作为颈椎的起始部位,起到承接颅骨和连接下颈椎的重要作用,并且保护着后方重要的中枢神经以及周围环绕的大血管等重要组织结构｡目前寰枢椎融合固定术多采用椎板打磨植骨融合或髂骨块支撑植骨,这些方法存在植骨融合率不高､取自体髂骨增加手术创伤等不足之处[13]｡在解剖上,寰枢椎不存在椎间盘组织,其侧块关节不仅起到了类似椎间盘的支撑､缓冲作用,同时还辅助提供寰枢椎稳定的重要作用[14-15]｡外伤性颈椎损伤是临床上常见的疾病之一,下颈椎稳定性手术方法其中之一是前路摘除椎间盘和置入融合器等内固定,能够起到很好的椎间稳定作用[16-17]｡同理,我们认为在急性外伤性寰枢椎骨折脱位以及一些慢性损伤时,寰枢椎关节处于不稳定状态,采用后路寰枢椎固定融合是解决这类疾患的手术方式之一,而稳定侧块关节可能是一种选择｡

本研究通过测量干燥骨性成人寰枢椎标本得到左侧寰椎矢状径为(16.67±0.91)mm,右侧为(16.67±0.94)mm;左侧寰椎横径为(16.24±径为(17.83±1.07)mm,右侧为(17.81±1.14)mm;左侧枢椎矢状径为(16.86±0.84)mm,右侧为(16.82±0.97)mm;左侧枢椎横径为(16.28±0.81)mm,右侧为(16.26±0.82)mm;左侧枢椎斜径为(18.42±0.76)mm,右侧为(18.41±0.72)mm｡CT测量左侧寰椎横径为(16.29±1.10)mm,右侧为(16.26±1.09)mm;左侧寰椎斜径为(17.82±0.84)mm,右侧为(17.80±1.12)mm;左侧枢椎横径为(16.24±1.05)mm,右侧为(16.19±1.06)mm;左侧枢椎斜径为(18.13±0.94)mm,右侧为(18.14±1.00)mm;左侧寰枢椎侧块间高为(3.26±0.65)mm;右侧为(3.28±0.58)mm｡蓝思彬[18]通过对48具干燥骨标本进行测量后得出寰椎侧块关节面矢状径为(17.12±1.29)mm,寰椎侧块关节面横径为(15.76±1.16)mm,枢椎侧块关节面矢状径为(17.46±1.55)mm,枢椎侧块关节面横径为(15.79±1.11)mm｡并通过对50例寰枢椎CT进行测量后得出寰椎侧块关节面矢状径为(17.34±1.26)mm,寰椎侧块关节面横径为(15.95±1.15)mm,枢椎侧块关节面矢状径为(17.71±1.52)mm,枢椎侧块关节面横径为(16.02±1.10)mm,寰枢关节前间隙高(3.24±0.53)mm,寰枢关节后间隙高(2.60±0.53)mm｡本研究结论与前者类似,验证了测量的可信度｡同时为考虑到术中融合器置入时的角度与方向,本研究增加了侧块斜径的测量,以设计出更合适的融合器模型｡结果显示,无论是寰椎或枢椎的侧块斜径均长于矢状径,提示融合器的矢状径长度可适度放宽以获得更好的骨—融合器接触面积,增加力学稳定性｡同时本研究寰枢椎侧块关节间高度为左侧(2.89±0.37)mm,右侧(2.94±0.29)mm,与以往研究[19]类似｡考虑到椎间需要轻度撑开及实验的一致性,故本研究的有限元分析及尸体实验均选择的融合器规格均为13mm×8mm×4mm｡

有限元分析是对研究疾病､治疗方案进行计算机模拟的一种手段,它可以解决标本制备带来的时间损耗和标本获取的不便捷性,同时也具有较好的可信度,目前许多关于新材料和技术的研究均需通过有限元分析其生物力学特性,以求得理论上的生物力学数据[20]｡本研究将寰枢椎侧块解剖数据导入UG软件系统,设计出符合解剖要求及手术要求的融合器形态,再通过将Dicom格式文件导入Minics制成寰枢椎模型,二者在UG软件系统中做初步匹配,可以发现融合器的形态符合生理状态下的寰枢椎解剖要求｡其次,本研究采用的Inspire2018软件是较新的有限元分析软件,其多用于工业器械的分析,初步探索了融合器在各方向压缩下的位移和应力变化等力学特性,本研究显示,无论是在垂直压缩､前屈､后伸及侧屈等应力作用下,融合器的最大变形只有1.84×10-2mm,1.3×10-3mm,3.79×10-2mm和2.70×10-2mm｡

为了达到更好的生物稳定性,获得更好的骨性融合和生物相容性,融合器的材料和制作是目前脊柱外科基础研究领域的重要方向之一｡3D打印是近十数年来运用于各行各业,尤其是医学领域的新型技术,例如3D打印手术导板[21-22],3D打印人工椎体[23]都如雨后春笋般出现在骨科疾病的治疗当中,并为手术带来了便捷,提高了手术疗效｡同时,Ti6Al4V材料是如今医学置入物的主要材料之一,其具有良好的生物相容性､抗压､抗疲劳等特性,在骨科材料领域中运用广泛[24-25]｡本研究融合器采用Ti6Al4V作为主要原料,按照类骨小梁结构打印出融合器,除了具有良好的生物相容性外,理论上提升了寰枢椎术后即刻稳定性以及保证术后骨长入率｡为了验证体内融合器的应用,我们应用新鲜尸体标本进行手术模拟,结果可见融合器能够良好的放置于寰枢椎侧块关节间隙,起到支撑作用｡初步探索了3D打印融合器的应用是可靠的｡融合器上方有寰椎侧块嵌压,下方有枢椎侧块,侧后方有椎弓根螺钉支撑固定,其受力方向与寰枢椎椎间的纵向压力力线是一致的,同时3D打印的粗糙表面,理论上可减少融合器的下沉,向内､外侧滑移和向后脱出压迫神经及动脉等重要结构的风险,但仍需要进一步实验验证｡

通过有限元分析及尸体模拟手术,初步探索所设计的融合器结构形态和生物力学特性,为未来进一步探索可提升后路寰枢椎术后稳定性,保证术后骨融合及更好达到术后解剖复位的侧块融合器提供了思路和一定数据支撑｡本研究不足在于,没有对寰枢椎复合体结合融合器进行整体有限元软件分析,同时未做体外生物力学试验,未来将进一步着手于这部分工作,为寰枢椎侧块融合器提供更有力的数据支持｡

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