無植骨3D打印鈦合金融合器骨融合能力優(yōu)于植骨PEEK融合器

供稿人：宋發(fā)成 王玲 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　       

PEEK和鈦合金是目前制造椎間融合器最常用的兩種材料。這兩種材料都具有良好的生物相容性，PEEK因其彈性模量與人體骨接近而得到廣泛的應(yīng)用，而多孔鈦合金具有更佳的骨融合能力。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印多孔鈦合金融合器得以廣泛應(yīng)用于椎間融合術(shù)中，目前對于3D打印的多孔鈦合金椎間融合器術(shù)后骨融合能力研究尚且不足。美國路易威爾大學醫(yī)學院Joseph等研究者對比了3D打印多孔鈦合金融合器與帶自體髂骨移植的PEEK融合器在動物體內(nèi)的融合效果。

研究者選取7只年齡在4至5歲的健康雌性綿羊，在每一只綿羊的L2~L3、L4~L5椎間隨機分別植入一個PEEK融合器和一個3D打印鈦合金融合器，形成單個個體內(nèi)部對照。融合器選取美國Spineart公司的Juliet（PEEK）和Juliet Ti-LIFE（3D-pTi）,如圖1所示，其中圖1（b）為3D打印鈦合金融合器多孔部分的微觀結(jié)構(gòu)。

圖1 PEEK融合器與3D打印多孔鈦合金融合器

植入綿羊體內(nèi)后，在術(shù)后的第4周和第8周對植入部位做CT檢查，并在第8周做組織切片分析植入效果。CT結(jié)果表明，在術(shù)后第8周，3D打印鈦合金融合器的類骨小梁結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)骨組織，如圖2（a）所示。同時融合器與周邊骨組織近距離接觸，在其植骨窗內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了早期的骨組織。而對于PEEK融合器，如圖2（b）所示，除了局部纖維化以外，PEEK融合器與周圍骨組織沒有相互作用且內(nèi)部的自體植骨并沒有改善骨融合能力。

圖2 3D打印鈦合金融合器與PEEK融合器植入術(shù)后8周后的CT檢查

組織切片結(jié)果表明，PEEK融合器與3D打印鈦合金融合器的骨融合能力有著明顯的差異。如圖3（a）所示，PEEK融合器與周圍骨組織存在纖維化的組織（圖中黑色箭頭位置）,且植骨窗內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)早期骨組織（圖中綠色箭頭位置）。而如圖3（b）所示，3D打印鈦合金融合器骨融合效果明顯，天然骨與植入物中的類骨小梁結(jié)構(gòu)相互作用，在融合器中心形成初期骨組織，同時存在軟骨以及膠原蛋白，表明其發(fā)生了軟骨內(nèi)和膜內(nèi)的骨化。對鈦合金融合器周圍組織切片放大顯示，如圖3（c），發(fā)現(xiàn)有編織骨和板層骨，以及膠原和軟骨。

圖3 3D打印鈦合金融合器與PEEK融合器植入8周后的組織切片檢查

本研究表明，3D打印多孔鈦合金融合器在植入羊體內(nèi)4周以及8周后，CT檢查以及組織切片分析都表明其骨融合能力優(yōu)于帶自體骨移植的PEEK融合器。該研究對于確定3D打印多孔結(jié)構(gòu)的融合器體內(nèi)骨融合效果具有一定意義。

參考文獻：
Laratta, Joseph L., et al. "3D-printed titanium cages without bone graft outperform PEEK cages with autograft in an animal model." The Spine Journal (2021).