【摘要】：前言:頸椎病會造成持物困難、行走費力,往往會給人們的日常生活和工作帶來極大的不便。目前我國約有10%的人患有頸椎病,且發(fā)病年齡呈低齡化的趨勢,已經成為一個不可忽視的社會化問題。椎間盤退變是頸椎病最主要的致病因素,隨著年齡的增長,椎間盤開始逐漸退變老化引起外層纖維環(huán)破裂,髓核突出造成神經壓迫而產生神經學癥狀,這就是通常所說的得了頸椎病。長期以來臨床上治療頸椎病的手術方式主要是頸椎前路減壓植骨融合內固定術(Anterior cervical discectomy and fusion,ACDF),被認為是治療頸椎病的標準術式。ACDF通過切除病變的椎間盤以解除其對神經的壓迫,并植入自體骨、異體骨或人工骨等方式融合相鄰的運動節(jié)段來治療頸椎病。但近年來的臨床實踐發(fā)現ACDF對頸椎病的治療效果令人滿意,但其導致鄰近節(jié)段的椎間盤退變問題(Adjacent segment degeneration,ASD),還有如融合失敗、內植物移位、沉陷等為其它問題,也都為ACDF這一手術留下了進一步改進的空間。近十余年來,能夠恢復頸椎生理功能的人工頸椎間盤置換術(Artificial cervical disc replacement,ACDR)成為了治療頸椎病新的發(fā)展方向。ACDR的優(yōu)點是不僅能獲得充分的減壓效果,緩解頸椎病癥狀,又能保留頸椎的生理運動功能,從而理論上避免了ACDF術后鄰近節(jié)段由于代償性地過度活動而造成的退變加速。我國開展ACDR至今已有15年的歷史,但一直采用的都是以上的進口產品。頸椎特征存在人種、地區(qū)等的差異,進口人工間盤假體均是按照歐美人種頸椎結構的設計,不完全適合國人的頸椎解剖特征,對于中國患者而言常常會出現不匹配的情況,有時會嚴重影響到置換手術的效果。此外,ACDR長期隨訪也出現了臨近節(jié)段退變、假體移位、沉陷、異位骨化等臨床并發(fā)癥,導致這些并發(fā)癥的原因可能就跟假體的設計、尺寸及力學不匹配等因素相關。在這種形勢下,適合頸椎終板解剖學特征及生物力學特點的人工頸椎間盤的研發(fā)就顯得非常重要且十分緊迫。3D打印技術,又稱增材制造技術,是一種以數字模型文件為基礎,運用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料,通過“分層制造,逐層疊加”來構造物體的技術。由于3D打印特點是精準、復雜成型及個體化,符合骨科個體化治療的發(fā)展方向,在骨科的應用走在前列。3D打印個性化金屬假體的出現彌補了以往人工假體匹配性差的問題,現成為了骨科3D打印領域的重要發(fā)展方向。金屬3D打印假體除快速復雜成型外,還可以在內植物表面或內部形成類似于骨小梁的微孔結構,為植入部位相鄰骨組織長入提供條件,促進了假體與骨界面的骨性愈合,提高假體壽命。在ACDR手術中,人工間盤假體的尺寸及形狀的匹配對保障手術成功起到重要的作用。因此,利用3D打印技術的精準結構、復雜成型優(yōu)勢可實現人工頸椎間盤材料性能及尺寸形狀與椎體的最佳匹配。基于以上問題及需求,我們在優(yōu)化設計了符合頸椎終板解剖學特征的人工頸椎間盤假體,并利用金屬3D打印技術制備具有多孔終板結構的新型人工頸椎間盤,進行力學測試,分析其對頸椎生物力學的影響,并評價其對人成骨細胞的生物相容性,以期望能更好的滿足臨床患者的需求。方法:采用CT數據設計新型人工頸椎間盤,采用有限元分析法觀察人工頸椎間盤對頸椎生物力學影響,主要包括頸椎活動度(ROM)、椎間盤內壓力、小關節(jié)壓力、假體-骨界面應力等。采用電子束熔融金屬成型設備(EBM)進行Ti6Al4V及CoCrMo合金材料新型人工頸椎間盤的3D打印制備;通過共振阻尼式彈性模量儀測量多孔體樣品的楊氏模量;人工間盤的壓縮性能測試按照ASTM F2346-05(2011)標準進行,測試范圍載荷為0-10000N;疲勞性能測試按照ASTM F2346-05(2011)標準進行,選取600N做為疲勞測試載荷考察兩種材料的人工頸椎間盤的疲勞強度。進行體外生物力學測試,實驗標本為人尸體頸椎標本,按照測試先后順序分為完整組,新型人工頸椎間盤組,Prestige LP人工頸椎間盤組,Cage內固定組。采用Motion動態(tài)運動捕捉系統(tǒng)進行頸椎各節(jié)段的運動度(ROM)的測量;采用Tekscan壓力分布式測試系統(tǒng)對小關節(jié)壓力進行測量。采用沉淀法和水熱法相結合的方式制備納米羥基磷灰石(HAP)涂層;采用X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)與透射電子顯微鏡(Transmission electron microscope,TEM)對納米羥基磷灰石進行化學結構與形貌分析,采用掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)與能譜儀(Energy dispersive spectrometer,EDS)對HAP涂層進行形貌與組成分析;采用免疫熒光染色觀察各組材料對人成骨細胞粘附影響;采用CCK-8試劑盒觀察材料對細胞活性的影響;采用流式細胞儀進行細胞凋亡檢測。結果:設計新型假體具備和Prestige LP相同的球槽關節(jié),但擴展了上下終板面積,具有穹隆頂形態(tài)終板,具有三個穩(wěn)定齒;成功建立健康人C3-C7非線性有限元模型;新型間盤組與Prestige LP組具有相似的頸椎ROM,且與正常組相比均保留了頸椎ROM;新型間盤組與Prestige LP組的C4-C5及C6-C7椎間盤內壓力與正常組相比無明顯變化;新型間盤組、Prestige LP組與正常組各節(jié)段小關節(jié)接觸力差別不大;兩組應力峰值均分布在錨定齒上,新型間盤組的應力分布較Prestige LP組分布更均勻。采用3D打印技術成功制備了具有多孔終板結構的新型人工頸椎間盤;多孔結構的彈性模量與孔隙率趨勢相反,值為0.4-20 GPa;壓縮實驗結果顯示兩種間盤在實驗測試范圍(0-10000N)內均處于彈性變形,并未失效;疲勞實驗結果顯示在600N載荷下循環(huán)10~7周次后,樣品均未失效,表面多孔結構也未失效。體外生物力學實驗結果顯示C5-C6節(jié)段的完整組、新型人工頸椎間盤組及Prestige LP人工頸椎間盤組各方向無顯著性差異,Cage固定組的各個方向ROM顯著性降低;Cage固定術后C5-C6節(jié)段小關節(jié)壓力在后伸、左側彎及右旋轉三個方向活動下較新型間盤組及Prestige LP組明顯降低,其余各組間無顯著性差異。在多孔Ti6A4V及CoCr Mo合金表面成功制備了納米HAP涂層;多孔Ti6Al4V合金、多孔CoCrMo合金、納米HAP涂層的Ti6Al4V合金及納米HAP涂層的CoCrMo合金片表面均有成骨細胞粘附生長,涂層組的成骨細胞肌動蛋白微絲束較無涂層組有更好的伸展;納米HAP涂層的Ti6Al4V合金及納米HAP涂層的CoCrMo合金片細胞存活率顯著高于多孔Ti6Al4V合金、多孔CoCrMo合金以及空白對照組;各組材料誘導的人成骨細胞凋亡無明顯差異。結論:依據CT數據建立了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頸椎間盤、Prestige LP人工頸椎間盤置換術后的生物力學,發(fā)現人工頸椎間盤可以減低鄰椎病的發(fā)生,同時新型人工頸椎間盤比Prestige LP人工間盤在降低沉陷發(fā)生風險上更具優(yōu)勢。采用EBM技術可成功3D打印具有多孔、穹窿頂終板形態(tài)的新型人工頸椎間盤,降低了Ti6Al4V及CoCrMo合金的彈性模量,且在抗壓縮及抗疲勞方面均能滿足人體力學要求。體外生物力學顯示,新型人工頸椎間盤置換與Prestige LP人工間盤置換類似,都能較好的維持頸椎正常的生物力學。比ACDF相比,ACDR后手術節(jié)段活動度獲得了保留,且小關節(jié)壓力與正常頸椎運動時壓力變化基本一致。通過水熱法能成功制備純相羥基磷灰石納米棒。并且通過原位沉積法能有效的在3D打印鈦合金和鈷鉻鉬合金材料表面沉積納米HAP涂層。3D打印合金及納米HAP涂層的合金并未促進人成骨細胞的凋亡發(fā)生,且各組間無統(tǒng)計差異,此外,HAP涂層可以促進成骨細胞粘附及增殖。納米HAP涂層多孔3D打印鈦合金和鈷鉻鉬合金具有潛在的應用價值。
【圖文】：

2.1 試驗材料、設備、軟件等2.1.1 CT 原始數據獲取從我院影像數據庫中選 1 例頸椎 CT 數據，健康女性，30 歲，已排除頸椎畸形、創(chuàng)傷、頸椎病史。CT 數據采用 Lightspeed 系統(tǒng)（GE 公司，美國）掃描獲取，掃描參數：120 kV，125 mA，層厚 0.625 mm，范圍為頸 1 椎體（C1）到頸 7 椎體（C7）下緣；數據采集完成后以標準 Dicom 格式刻錄光盤保存。2.1.2 測量及有限元分析數據分析軟件頸椎參數測量及有限元分析軟件主要包括：Windows 8 X64 Professional Edition（MicroSoft 公司，美國）；Mimics 19.0（Materialise 公司，比利時）（圖 2.1）；Geomagic Studio 2014（3D Systems 公司，美國）（圖 2.2）；ANSYS 18.0（ANSYS 公司，美國）（圖 2.3）。

圖 2.2 Geomagic Studio 2014 軟件界面圖，3D Systems 公司，美國圖 2.3ANSYS 18.0 軟件界面圖，，ANSYS 公司，美國2.1.3 金屬 3D 打印設備
【學位授予單位】：中國醫(yī)科大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：R318.17;TP391.73

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本文編號：2661474