發(fā)布時間：2020-05-13 05:32

【摘要】：前言:頸椎病會造成持物困難、行走費(fèi)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(jīng)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(jīng)壓迫而產(chǎn)生神經(jīng)學(xué)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(shù)方式主要是頸椎前路減壓植骨融合內(nèi)固定術(shù)(Anterior cervical discectomy and fusion,ACDF),被認(rèn)為是治療頸椎病的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)式。ACDF通過切除病變的椎間盤以解除其對神經(jīng)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(yùn)動節(jié)段來治療頸椎病。但近年來的臨床實(shí)踐發(fā)現(xiàn)ACDF對頸椎病的治療效果令人滿意,但其導(dǎo)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(nèi)植物移位、沉陷等為其它問題,也都為ACDF這一手術(shù)留下了進(jìn)一步改進(jìn)的空間。近十余年來,能夠恢復(fù)頸椎生理功能的人工頸椎間盤置換術(shù)(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(diǎn)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(yùn)動功能,從而理論上避免了ACDF術(shù)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(jìn)口產(chǎn)品。頸椎特征存在人種、地區(qū)等的差異,進(jìn)口人工間盤假體均是按照歐美人種頸椎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),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(xiàn)不匹配的情況,有時會嚴(yán)重影響到置換手術(shù)的效果。此外,ACDR長期隨訪也出現(xiàn)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(dǎo)致這些并發(fā)癥的原因可能就跟假體的設(shè)計(jì)、尺寸及力學(xué)不匹配等因素相關(guān)。在這種形勢下,適合頸椎終板解剖學(xué)特征及生物力學(xué)特點(diǎn)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(shù),又稱增材制造技術(shù),是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)。由于3D打印特點(diǎn)是精準(zhǔn)、復(fù)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(yīng)用走在前列。3D打印個性化金屬假體的出現(xiàn)彌補(bǔ)了以往人工假體匹配性差的問題,現(xiàn)成為了骨科3D打印領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。金屬3D打印假體除快速復(fù)雜成型外,還可以在內(nèi)植物表面或內(nèi)部形成類似于骨小梁的微孔結(jié)構(gòu),為植入部位相鄰骨組織長入提供條件,促進(jìn)了假體與骨界面的骨性愈合,提高假體壽命。在ACDR手術(shù)中,人工間盤假體的尺寸及形狀的匹配對保障手術(shù)成功起到重要的作用。因此,利用3D打印技術(shù)的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、復(fù)雜成型優(yōu)勢可實(shí)現(xiàn)人工頸椎間盤材料性能及尺寸形狀與椎體的最佳匹配�；谝陨蠁栴}及需求,我們在優(yōu)化設(shè)計(jì)了符合頸椎終板解剖學(xué)特征的人工頸椎間盤假體,并利用金屬3D打印技術(shù)制備具有多孔終板結(jié)構(gòu)的新型人工頸椎間盤,進(jìn)行力學(xué)測試,分析其對頸椎生物力學(xué)的影響,并評價其對人成骨細(xì)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(shù)據(jù)設(shè)計(jì)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(xué)影響,主要包括頸椎活動度(ROM)、椎間盤內(nèi)壓力、小關(guān)節(jié)壓力、假體-骨界面應(yīng)力等。采用電子束熔融金屬成型設(shè)備(EBM)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,測試范圍載荷為0-10000N;疲勞性能測試按照ASTM F2346-05(2011)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(qiáng)度。進(jìn)行體外生物力學(xué)測試,實(shí)驗(yàn)標(biāo)本為人尸體頸椎標(biāo)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(nèi)固定組。采用Motion動態(tài)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)進(jìn)行頸椎各節(jié)段的運(yùn)動度(ROM)的測量;采用Tekscan壓力分布式測試系統(tǒng)對小關(guān)節(jié)壓力進(jìn)行測量。采用沉淀法和水熱法相結(jié)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(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(xì)胞粘附影響;采用CCK-8試劑盒觀察材料對細(xì)胞活性的影響;采用流式細(xì)胞儀進(jìn)行細(xì)胞凋亡檢測。結(jié)果:設(shè)計(jì)新型假體具備和Prestige LP相同的球槽關(guān)節(jié),但擴(kuò)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(nèi)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(guān)節(jié)接觸力差別不大;兩組應(yīng)力峰值均分布在錨定齒上,新型間盤組的應(yīng)力分布較Prestige LP組分布更均勻。采用3D打印技術(shù)成功制備了具有多孔終板結(jié)構(gòu)的新型人工頸椎間盤;多孔結(jié)構(gòu)的彈性模量與孔隙率趨勢相反,值為0.4-20 GPa;壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩種間盤在實(shí)驗(yàn)測試范圍(0-10000N)內(nèi)均處于彈性變形,并未失效;疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)也未失效。體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)后C5-C6節(jié)段小關(guān)節(jié)壓力在后伸、左側(cè)彎及右旋轉(zhuǎn)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(xì)胞粘附生長,涂層組的成骨細(xì)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(xì)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(dǎo)的人成骨細(xì)胞凋亡無明顯差異。結(jié)論:依據(jù)CT數(shù)據(jù)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(shù)后的生物力學(xué),發(fā)現(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)上更具優(yōu)勢。采用EBM技術(shù)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(xué)要求。體外生物力學(xué)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(xué)。比ACDF相比,ACDR后手術(shù)節(jié)段活動度獲得了保留,且小關(guān)節(jié)壓力與正常頸椎運(yùn)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(jìn)人成骨細(xì)胞的凋亡發(fā)生,且各組間無統(tǒng)計(jì)差異,此外,HAP涂層可以促進(jìn)成骨細(xì)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(yīng)用價值。
【圖文】：

2.1 試驗(yàn)材料、設(shè)備、軟件等2.1.1 CT 原始數(shù)據(jù)獲取從我院影像數(shù)據(jù)庫中選 1 例頸椎 CT 數(shù)據(jù)，健康女性，30 歲，已排除頸椎畸形、創(chuàng)傷、頸椎病史。CT 數(shù)據(jù)采用 Lightspeed 系統(tǒng)（GE 公司，美國）掃描獲取，掃描參數(shù)：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(shù)據(jù)采集完成后以標(biāo)準(zhǔn) Dicom 格式刻錄光盤保存。2.1.2 測量及有限元分析數(shù)據(jù)分析軟件頸椎參數(shù)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(shè)備
【學(xué)位授予單位】：中國醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R318.17;TP391.73

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