基于电子束熔融技术的椎间融合器金属骨小梁结构单元的研究

刘欣，张卫平

（1. 北京市食品药品监督管理局，北京100053；2. 北京爱康宜诚医疗器材股份有限公司，北京102200）

引言

随着社会人口的老龄化加快，脊柱疾病已经成为威胁人类健康的主要疾患之一，其危害性日益受到社会重视。腰痛是困扰人类的常见病和多发病。研究表明椎间盘退变是首要原因，有的学者统称为退变性腰椎不稳症。目前对腰椎不稳症的治疗原则是：对于有明显神经压迫症状经保守治疗而症状无缓解者，列为手术治疗的适应症。手术疗法最初是椎管减压椎间盘髓核摘除术，经后路切开椎间盘摘除突出的髓核及纤维环组织，以达到扩大椎管减压，解除对脊髓和神经根的压迫。但由于椎板的切除破坏了脊柱的结构，可造成脊柱新的不稳，且椎间隙压缩未得到恢复，所以术后有较高的复发率。后来则为椎间盘摘除增加脊椎融合术，目的在于增进椎骨间结构的强度，消除椎板切除后所致的脊柱不稳，但其并不能恢复椎间隙的高度，且融合后椎间活动消失，从而导致相邻椎间盘的退变加速。从广泛的角度上单个椎间活动的减少也是一种“不稳”，因而临床上仍有不少患者出现术后植骨松动、折断、吸收及内固定器的松动、断裂等现象。脊椎退行性病变、椎间盘源性疼痛、节段性失稳、外伤所导致的椎体滑脱等原因引起的疼痛，对非手术治疗无效时一般都需施行椎间固定融合术。椎间融合器技术已在近三十年有了较大发展，由于在脊柱的生物力学方面的优势及骨融合率较高，其在临床上得到广泛应用并逐渐成为脊柱外科标准术式之一。

随着椎体间融合器的广泛应用，与传统植入自体或异体骨进行对比，其治疗的相关并发症大为减少，融合成功率增加。椎间融合器的应用可维持理想的椎间间隙高度，恢复前柱与中柱的支撑，增加并维持椎间孔容量，解除神经根的压迫。传统的椎体间融合技术采用自体或异体骨块，将其嵌入摘除椎间盘后的椎体间隙，从而获得椎体间融合，其缺点在于增加了手术创伤和交叉感染的风险。随着工业技术及材料学的发展，金属和碳纤维椎间融合器逐渐成为主流，但此类椎体间融合器不可吸收，其弹性模量与宿主骨质差异较大，融合后期会产生应力遮挡, 在一定程度上会产生骨融合后的强度不良等反应。

由于传统金属制造业工艺的限制，现有骨科植入物一般采用致密的金属毛坯材料，用切削加工方式加工成形，由于需留出填充植骨的空间和通道，因此椎间融合器通常要设计为中空，其横截面积较小，术后远期会产生向相邻椎体内沉降，从而丧失椎体高度。致密实体材料制作的椎间融合器在骨融合形成以后，由于与周围骨质存在明显的力学性能差异，无法真正形成整体，依然存在着应力遮挡问题，从而会导致相邻骨质的强度降低，产生一系列远期风险。电子束熔融技术打破传统机加工技术，应用于椎间融合器产品生产，主要在于电子束熔融技术本身的优势。

1 椎间融合器结构研究现状

1.1 椎间融合器的设计原理

椎间融合器的设计原理是根据Bagby提出的撑开压缩稳定（distraction—compression stabilization）效应也通过实验了解了椎间融合器的稳定性主要来源于其获得撑开压缩效应和界面负荷均分作用，即在植入椎间融合器后，撑开力能够使融合节段的肌肉、纤维环和前、后纵韧带处于持续张力状态下，使融合节段和融合器达到三维超静力学固定，同时其上、下螺纹能够旋入上、下终板，起自稳作用。其次，椎间融合器具有良好的解剖学支架功能。一方面，通过恢复椎间隙的高度，以恢复脊柱前、中柱的应力及稳定，恢复、维持、稳定脊柱固有生理凸起，扩大椎间孔，缓解神经根的受压。椎间隙高度的恢复可以间接地复张由于椎间隙高度的丢失而致折叠的黄韧带和被压缩的纤维环，从而使中央椎管的狭窄得到明显地改善，增加椎管前后径，减轻原有椎管内占位另一方面椎间融合器还可以为脊柱提供即刻和早期的融合稳定性，能够通过撑开--压缩所产生的作用力与反作用力获得抗剪切、旋转效应。椎间融合器的中空结构为其内的松质骨的融合提供良好的力学环境，从而达到界面永久融合的目的。

1.2 椎间融合器的结构、材质及特点

20世纪50年代，Cloward首先提出后路腰椎融合术(PIIF)，该技术发展成为当今脊柱外科基本术式之一。1986年Badgy和Kusli—ch设计出适用于人体的椎间融合器，即BAK(减轻原有椎管内占位and Kuslich)系统，并用于治疗退变性下腰痛。此后，腰椎椎体间植骨融合技术有了较大发展，成为治疗腰椎退行性变的标准术式之一。椎间融合器亦在椎间融合术中的应用逐渐增多，其应用能维持椎间隙的高度、恢复前中柱的支撑、增加椎间孔容量、解除神经根受压、防止椎间隙塌陷及假关节形成。近年来，腰椎间融合器已广泛用于腰椎融合术。随着脊柱生物力学的发展和椎间融合术的广泛应用，椎间融合器发展迅速，其种类繁多，涵盖了颈椎、胸椎、腰椎节段。

崔岩的研究表明，常见的椎间融合器从形状上可分为生理解剖形状、矩形、线性螺纹状等种类。从材质则包括碳素纤维、纯钛、可吸收材料、钛合金、组织工程学材料等。其中矩形碳素纤维、线性螺纹状和可吸收材料椎间融合器最为常见。对于线性螺纹状椎间融合器，最早出现并最具代表性的就是BAK椎间融合器。研究显示，钛合金材质造成应力遮挡，并给影像学观察融合效能带来困难。矩形碳素纤维椎间融合器近年来研究及应用较为广泛。常见的设计为长方体形或子弹头形，中空上下两端及侧面均有大孔。其中，最具代表性的为Brantigan 等于20 世纪90 年代研制的聚醚醚酮（PEEK）融合器。此种椎间融合器外形为矩形金属框架，上下面均有齿状突起。此种椎间融合器的一大优点在于碳素材质X 射线通过性好，不影响疗效观察。由于PEEK椎间融合器突起较浅，咬合力低，因此，它必须和椎弓根螺钉内固定系统联合使用。PEEK椎间融合器截面为矩形，增加了终板接触面积，而且可填入骨量更大，有利于促进骨的融合。但是，矩形碳素纤维椎间融合器材质不能被机体吸收，存在占位效应，对再次手术或临近节段手术影响较大，其外形的设计仍与正常腰椎间隙形态不符，不利于促进骨融合。线性螺纹状椎间融合器，其螺纹与上下终板的咬合可能引起椎间隙塌陷，外形设计与生理形状相差较大，并使植入骨块融合面积减少。可吸收材料椎间融合器在降解过程中产生的颗粒可能引起炎性反应，对周围组织的生长具有一定影响，早期大分子降解产物可引起材料周围纤维组织增生，一定程度延缓早期成骨。

随着材料科学和生物力学、仿生学的不断进步，新型椎间融合器的发展趋势，在材质上将向着更高的生物相容性、更好的骨替代能力、更符合正常脊柱生物力学特性方面改进；在外形上，将向着更大的融合面积、更接近正常脊柱生理曲度、更方便的植入路径方向持续优化。

陈寰贝的研究表明，在生物医用金属材料中，钛及其合金凭借其优良的综合性能，具有生物材料所具有的良好生物相容性、力学性能及抗腐蚀性，被认为是目前最有吸引力的金属生物材料之一，是人工关节（髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等）、骨创伤产品（髓内钉、钢板、螺钉等）、脊柱矫形内固定系统、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架、牙种植体、牙托、牙矫形丝等医用植入物产品的首选材料。目前，还没有比钛合金更好的金属材料应用于临床。而多孔钛及钛合金材料具有开放多孔状结构，允许新骨细胞组织在内生长及体液的传输，多孔立体结构能促进成骨细胞在钛及钛合金种植材料表面和孔隙中的生长，新的骨组织在植入物孔内生长形成交错连锁的连接，能够加强植入物与自体骨的连接强度，并且其强度及弹性模量可以通过对孔隙率的调整同自然骨相匹配，因此是较为理想的生物医学植入材料。多孔钛及钛合金具有优良的生物相容性和高的力学性能，其多孔的结构使得骨科植入物的固定更可靠，有利于人体体液营养成分的传输，可大大缩短病人的康复期。

刘邦定的研究表明，采用单纯多孔钛合金材料对孔径大小影响新骨形成作用进行了比较，认为孔径大于一定范围后，材料中新骨长入由于缺乏材料的支架作用，新骨生成速度缓慢。然而，根据文献报道，大孔径材料更有利于血管化的发生，更有利于营养物质和代谢产物的运输，更有利于细胞的黏附。孔径大小影响多孔钛合金材料的骨长入，适当孔径的设计将更有利于材料的传导成骨。多孔钛合金提供了新骨长入的结构条件，提供了新骨长入所需的良好的组织相容性和组织黏附能力。证实了复合材料具有更明显的促进新骨生成的能力。对于多孔钛合金复合材料，孔径较大的材料因为更利于营养物质和氧气的进入加快了血管化过程，且更有利于植入物与体液的充分接触，为细胞提供了更大的黏附面，所以其更能促进新骨形成。

1.3 电子束熔融技术的优势

随着社会的进步和科技的发展，快速成型技术（RP）有了迅猛的发展，已开始在金属材料制备上得到应用，特别是金属粉末的激光及电子束快速成型技术已相对成熟，该技术是整合了计算机辅助设计、数控技术、新材料技术、激光或电子束选域熔融成型技术于一体的先进制造技术。其中电子束熔融技术是比较典型的技术之一，常用于航天科技、汽车工业的新型金属制造工艺。在2013年的北京科技周上，快速成型技术的特点和优势也得以展示。其原理过程具体是将零件的三维实体模型数据导入电子束熔融设备，然后在电子束熔融设备的工作舱内平铺一层微细金属粉末薄层，利用高能电子束经偏转聚焦后，在焦点所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒熔融，电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接形成线状和面状金属层，待一个层面处理完成后，一个特殊装置在刚刚形成的金属层面上再铺设一层微细金属粉末薄层，重复上述扫描过程，此时第二层粉末溶化后不仅形成一个新的金属层，同时还将与前一金属层相互熔接成一体，连续地层面累积即可形成一个完整的金属零件实体。

骨科是临床应用金属植入物最多的学科，除了人工关节，还有众多个体化金属植入物可在骨科推广应用，这将使骨科的手术治疗提升到个性化治疗阶段，极大地提高手术的效率和准确性。解决目前个体化钛植入物翻模制造、周期较长的问题，有利于个体化金属植入物在骨科的广泛应用。快速成型技术正朝着精密化、高精度、标准化、低成本等方向发展，并且可以实现真正意义上的绿色制造，采用新型材料作为原材料直接成型出个性化金属植入物将是快速成型技术在骨科应用的发展方向。

与传统的铸造工艺相比，电子束熔融技术有着自己的独特特点：

1.不需要模具，节省了大量的用于设计制造模具的时间和费用；

2.利用零件的3D模型数据直接成型金属零件，不受任何模具和零件的外部几何形状以及内部复杂腔体的限制，便捷地自由成形任何复杂零件，使设计人员的想象力得到最大限度的发挥，所见即所想；

3.设备工作区的高真空环境能有效地排除外界化学元素杂质对材料可能产生的污染和侵害；

4.零件加工过程始终保持着适当的时效温度，因此产品具有良好的形状稳定性和低残余应力特性，其力学性能远优于普通铸造零件；

5.被加热的物体仅限于熔化了的金属部分以及周围粉末的保温，能源被充分有效利用，最低限度减少能耗；

6.材料的利用率高，这是因为电子束把用作制件的部分粉末熔融，其余粉末的回收再利用率可达95%，原材料损耗仅为5%。

此外，电子束熔融技术还可以将致密的金属实体与复杂空间网格结构同时形成于同一零件，生成中空的多孔格栅等高强度轻重量的结构，具有明显的减重和减振作用，这是用其它加工方法难以做到的。这一结构可模拟人体骨骼的松质骨结构，用于骨科植入物生产。

姜淑文的研究表明，生物医用多孔金属材料以其优良的生物相容性和力学相容性在牙齿、骨等硬组织修复领域有良好的应用前景。在其制备上，粉末冶金(PPM)方法具有孔径、孔隙度可控制性好等优点，有很好的实际应用潜力；而其生物相容性和耐蚀性有望通过表面改性等途径来进一步提高。

2 基于电子束熔融技术生产椎间融合器的可行性

近年来医学界对于多孔金属材料在骨科领域应用的讨论日渐增多，全球各大骨科植入物制造厂商也纷纷尝试采用各种工艺推出具有相似表面功能的植入物产品，预示着类似产品将面临快速增长期。金属多孔材料是指具有大量孔隙群的金属材料，金属多孔材料通常具有优异的物理特性和良好的机械性能，其密度小、比表面积大，在航空、电子领域有着极大的应用空间，同时在医用材料及生物化学领域也越来越多地被关注并使用。人们采用不同的制备方法以获得多孔金属，例如粉末高温喷涂、微珠微粒烧结、金属纤维结构等，但是它们仍有一些局限性，比如较低的孔隙率、相对高的弹性模量和较低的摩擦系数。在1994年出现了多孔钽技术，其特点是：（1）表面摩擦系数高，可以增加植入物的初始稳定性；（2）低弹性模量，极大地减少植入物应力遮挡以减少骨质丢失；（3）高孔隙率，可诱导骨长入，增强植入物的远期稳定性。多孔坦金属虽然有着许多优越性，但也有着其自身的局限，特别是当所设计的植入物既需要多孔结构同时又需要致密结构时将遇到很大的困难，此外该技术被个别医疗器械厂商设置了众多专利壁垒，这也限制了这一技术的进一步应用与推广。

李祥采用电子束熔融技术成形工艺制造具有可控多孔结构的Ti6A14V植入体，分析测试其微观孔隙结构特征、孔隙率以及力学性能。扫描电镜观测结果表明，所制备的钛合金植入体孔隙结构特征与设计结构相符合，证明电子束熔融技术能够实现钛合金植入体孔隙结构的控制。测得多孔植入体的孔隙率为60.1%，相应的抗压强度为163MPa，弹性模量为14 GPa，与人体骨组织弹性模量相近。锁红波通过电子束熔融快速制造的办法制备了Ti-6Al-4V试样，进行了热等静压和直接拉伸后的拉伸及硬度测试。试验结果表明，无论是否经过热等静压，拉伸强度均达到或超过了锻件的标准，塑性远远高于锻件标准，热等静压后抗拉强度及塑性明显降低，合金成分及组织是影响拉伸性能的主要因素，而内部微型气孔缺陷对拉伸性能没有明显的影响。

综上所述，寻找和研究弹性模量与宿主骨质接近、更为适合的、具有良好的骨融合特性的椎间融合器制造技术与材料成为业内的共识。基于电子束熔融技术制造多孔材料结构的钛合金骨科植入物是可行的。目前，国外已有科研机构和生产企业尝试将电子束熔融技术用于人工关节假体等骨科植入物的制造，但多数处仍于实验室研发阶段，个别厂商推出的关节置换类产品刚刚开始用于临床。我们利用此项技术，扩展到整个骨科领域的植入物的研发，是和国外基本处于同一起跑线，这为我们研制和开发新型骨科植入物提供了良好契机。通过对电子束熔融技术平台的创造性工艺应用，使得植物材料的发展不再追随国外的产品，完全可以直接达到甚至超越国外固定器材的发展。国际上已有少数医疗器械企业展开了电子束熔融技术在骨科领域的应用研究，意大利LIMA公司已使用电子束熔融技术推出了具有多孔结构的用于髋关节置换手术的钛合金髋臼杯，并已获得CE认证，美国FDA也已经于2012年批准了精技（Exactech）公司的同类产品在美国上市，我国也有数家医疗器械企业正在研发此类产品。但尚未见有关脊柱内固定产品实际应用的报道。

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