3D打印钛网融合器抗沉降性能突破：解剖适配与多孔结构设计降低颈椎术后沉降风险

　　本研究针对颈椎前路椎体切除融合术(ACCF)中钛网融合器术后高沉降率问题，通过对比新型3D打印钛网融合器与传统钛网融合器的力学性能，发现3D打印组在静态沉降试验中抗沉降性能提升19.5%(Kp值270 N/mm vs 226 N/mm)，其优化的解剖适配性和70%多孔结构设计为降低植入物沉降提供了创新解决方案，具有重要临床转化价值。

　　

在颈椎外科领域，颈椎病性脊髓病(CSM)作为成人非创伤性脊髓损伤的最常见形式，其手术治疗始终是脊柱外科医生关注的焦点。前路椎体切除融合术(ACCF)作为治疗CSM的经典术式，虽能有效实现神经减压和脊柱稳定性重建，但术后钛网融合器沉降问题却成为困扰临床医师的"顽疾"。文献报道显示，传统钛网融合器术后沉降率高达79.7%，其中严重沉降(超过3mm)占比达19%，这种沉降不仅可能导致颈椎后凸畸形复发、神经功能恶化，还会增加钢板螺钉应力甚至导致内固定失败。

究其原因，传统钛网融合器存在几何形态与椎体终板匹配度不足、弹性模量与骨组织不匹配(钛合金110 GPa vs 皮质骨3-30 GPa)、以及骨整合能力有限等固有缺陷。尽管近年来3D打印技术在骨科植入物领域展现出巨大潜力，但其在抗沉降性能方面的机械特性尚未得到系统验证。正是基于这一临床需求，杨慧明教授团队开展了这项创新性研究，通过对比新型3D打印钛网融合器与传统设计的力学性能，为改善ACCF术后沉降问题提供了新的解决方案。

研究团队采用了几项关键技术方法：基于100例亚洲CSM患者颈椎CT扫描的解剖参数测量，设计了符合颈椎解剖特征的3D打印钛网融合器；使用选择性激光熔化技术制备具有70%孔隙率和600μm孔径的多孔结构样品；按照ASTM F2077-14标准进行静态压缩试验评估刚度；依据ASTM F2267-04标准进行静态沉降试验测定Kp值；所有力学测试均使用Instron万能试验机并采用Mann-Whitney U检验进行统计分析。

静态压缩试验结果

通过静态压缩测试发现，3D打印钛网融合器的刚度为(6562.60±390.72) N/mm，显著低于传统钛网融合器的(10252.40±704.07) N/mm(P<0.05)，降幅达36.0%。然而在屈服载荷方面，3D打印组表现出显著优势，达到(14346.80±531.01) N，较传统设计的(9751.40±214.34) N提高47.1%(P<0.05)。这一结果表明虽然3D打印钛网融合器刚度较低，但其承载能力更强，在相同载荷下更不易发生失效。

静态沉降试验结果

在模拟实际工况的静态沉降试验中，3D打印钛网融合器系统的刚度为(258.60±7.99) N/mm，显著高于传统系统的(221.00±20.36) N/mm(P<0.05)。最关键的是，通过计算得到的测试块刚度(Kp值)显示，3D打印组达到270 N/mm，相比传统组的226 N/mm提升了19.5%。这一指标直接反映了植入物的抗沉降能力，Kp值越大表明植入物沉入椎体的倾向越小。

讨论与结论

本研究通过标准化力学测试证实，具有解剖适配性和70%多孔结构的新型3D打印钛网融合器在抗沉降性能方面显著优于传统设计。其优势主要体现在三个方面：几何形态上，上下缘弧形结构与相邻椎体终板形成面接触，增大接触面积减少应力集中；力学性能上，可调节的多孔结构使弹性模量更接近骨组织，减轻应力屏蔽效应；生物相容性上，600μm孔径和微粗糙表面有利于骨生长因子粘附和骨整合。这些特性共同解决了导致沉降的三个关键机制：应力集中、应力屏蔽和融合不良。

与聚醚醚酮(PEEK)融合器相比，3D打印钛合金保留了钛材料优异的生物相容性和疲劳强度，同时通过多孔结构解决了模量不匹配问题；与纳米复合材料相比，避免了脆性断裂的风险。尽管研究存在样本量较小、未模拟脊柱动态载荷等局限性，但作为一项 preclinical 研究，为后续临床试验提供了重要的力学性能数据支持。

该研究的创新价值在于首次系统验证了3D打印钛网融合器在抗沉降方面的机械优势，为解决ACCF术后融合器沉降这一临床难题提供了新的技术路径。未来随着个性化制造技术的进步和长期临床随访数据的积累，这种基于解剖测量和数据驱动的植入物设计理念有望成为脊柱融合手术的新标准，最终改善CSM患者的手术疗效和生活质量。论文发表于《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》，为颈椎融合器械的创新发展提供了重要参考。