组配式3D打印假体重建枢椎前柱的有限元分析

郑 炜，张 杰，严振鹏，胡劲博，万炯熙，杨兴海

海军军医大学长征医院骨肿瘤科，上海 200003

上颈椎解剖结构独特且复杂，枢椎肿瘤切除后难以应用中下颈椎重建的常规方式进行重建，如何有效重建枢椎稳定性是当前亟待解决的临床难题。临床实践中衍生出多种替代重建方式，其中以钛网（包括嵌入、修剪后螺钉固定等方式）、定制3D打印假体两大类为主，各有其优势和不足［1-5］。本课题组在前期3D打印个体化假体研发和临床应用的基础上，研制了一种组配式3D打印假体，通过不同型号的寰椎侧块接触端与下颈椎椎体接触端模块组合，实现匹配、可靠的个体化枢椎重建，同时具有可批量生产、操作便捷、力学性能稳固的优势。本研究通过三维有限元建模，分析正常颈椎模型与组配式3D打印假体重建模型在不同运动状态下的力学特点，为组配式3D打印假体的改进和临床应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 组配式3D打印假体的设计

新型组配式3D打印假体通过医工结合的方式，由笔者团队根据临床经验，结合上颈椎解剖数据与三友医疗器械有限公司联合设计制作，使用钛合金粉末通过选区激光熔融技术（SLM）打印完成，其主要针对枢椎肿瘤切除后枢椎前柱缺损需重建的患者。新型假体为分体式设计，分为上、下2个组件分别与寰椎及枢椎固定，并分别设定具体大小和型号（图1），按照型号进行批量生产，使用时通过不同型号组合满足不同患者的重建需求，无须个性化定制，能够在肿瘤切除后即刻实施重建，既降低制造成本，也缩短了患者的手术及住院时间。

图1 新型组配式3D打印假体模型Fig.1 New modular 3D printed prosthesis model

1.2 正常模型的建立

选取一名27岁健康体检男性志愿者（身高173 cm，体质量65 kg），排除颈椎畸形、退行性变等疾病。采用64排螺旋CT从颅底部到C5进行薄层扫描，将CT图片导入mimics软件进行三维重建，得到颈椎、头骨、椎间盘的三维模型。将三维模型导出为stl文件至geomagic软件进行网格质量优化，同时对已构建的皮质网格向内部偏移1 mm做出松质骨［6］，修饰椎间盘使其位于两椎体间，在后部结构调整网格做出圆形边界，向外偏移0.8 mm做出关节软骨。将优化后的网格导入前处理软件Hypermesh进行实体网格划分和韧带设置，采用非线性弹簧模拟各节段的关节韧带［7-9］。将实体网格导入abaqus软件进行材料赋值（表1、2）［10］、边界设置及载荷加载，并进行分析计算。

表1 正常上颈椎三维有限元模型参数［10］Tab.1 Three-dimensional finite element model parameters of normal upper cervical spine［10］

表2 正常上颈椎韧带及相关结构参数［10］Tab.2 Ligament and its related structural parameters of normal upper cervical spine［10］

1.3 正常模型边界约束、载荷设置及有效性验证

对上述建立的正常模型按正常生理条件行50 N头颅自重载荷，1.5 N·m枕骨扭矩载荷，C4/C5全自由度固定约束的载荷施加及边界约束。对正常模型进行前屈、后伸、左右侧曲及旋转运动，验证上颈椎自由度，并与其他研究［11-13］中的离体力学测试结果作对比，显示数据基本吻合（表3），证实模型有效。

表3 正常生理条件下上颈椎有限元模型C4/C5节段运动范围Tab.3 Range of motion of C4/C5 segment in finite element model of upper cervical spine under normal physiological conditions

1.4 上颈椎内固定有限元模型的建立

在正常模型（图2）的基础上，模拟枢椎肿瘤切除，去除枢椎椎体及C2/C3椎间盘，离断枢椎前后方韧带，建立枢椎肿瘤切除后前柱缺损模型。

图2 正常上颈椎三维有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of normal upper cervical spine

将前期研发的组配式3D打印假体数据导入场景，在枢椎前柱缺损模型上模拟安装，建立组配式3D打印假体重建模型（重建模型，图3）。分析该模型在前屈、后伸、左后侧曲及旋转工况下的上颈椎活动范围和刚度，各椎体骨质、假体及钉道应力变化情况。

图3 枢椎椎体肿瘤切除后前柱缺损后置入组配式3D打印假体的有限元模型Fig.3 Finite element model of 3D printed prosthesis for reconstruction of anterior column of axis

2 结 果

在相同转角情况下，重建模型在各工况下的扭矩均较正常模型有所增加，前屈时增加14.2%，后伸时增加61.6%，左旋时增加53.0%，右旋时增加58.3%，左侧曲时增加30.6%，右侧曲时增加28.3%（图4）。术后内固定及其周围骨质应力主要集中在钉道周围，集中体现在与螺钉接触的头部和根部，全工况钉道骨质应力范围为1.13 ~ 6.65 MPa，右旋时最大应力位于上、下假体交接面处，其余工况下最大应力均位于螺钉与骨质交接面处。前屈时内固定最大应力为98.48 MPa，后伸时为322.3 MPa，左侧曲时为286.3 MPa，右侧曲时为272.9 MPa，左旋时为242.1 MPa，右旋时为154.4 MPa（图5）。

图4 不同工况下手术前后扭矩对比Fig.4 Torque comparison before and after surgery under different working conditions

图5 各种工况下应力分布Fig.5 Stress distribution under different working conditions

3 讨 论

寰枢椎具有特殊的解剖结构，主要体现在寰椎无椎体，取而代之的是寰弓和侧块。因此，如何重建寰椎与下颈椎之间的稳固连接是枢椎肿瘤切除后前柱重建的难点与关键［14］。本研究团队应用修剪后的T形钛网对24例枢椎肿瘤患者进行上颈椎前柱重建，在平均22个月的随访时间内未发生内固定失败，但在远期随访中有1例发生了螺钉松动［15］。钛网重建的材料简单易得，但在修剪和安装过程中对术者技能要求较高，重建强度也不高；另一方面，由于钛网网孔并非为螺钉固定设计，远期存在螺钉松动、退钉的风险。Wei等［16］对9例枢椎原发肿瘤患者使用定制的3D打印假体进行前柱重建，平均随访28.6个月，证实定制3D打印椎体重建枢椎前柱的可靠性。定制3D打印假体在生物力学稳定性、个体匹配方面有明显优势，但存在制作周期较长、费用昂贵等不足；另一方面，定制3D打印假体难以像量产内固定物那样进行统一的力学指标检测，其远期力学稳定情况有待进一步评估，限制了其临床应用。

目前，上颈椎内固定领域肿瘤术后相应的力学研究较少，研究主要集中于退行性变和畸形的有限元分析［17-19］。廖穗祥等［20］使用有限元方法模拟枢椎完整切除，并在此基础上建立新型一体化人工枢椎和异形钛网2套内固定系统的三维有限元模型，证明一体化人工枢椎比异形钛网具有更好的稳定性和更少的应力集中，但该假体与定制3D打印假体存在相同不足，远期力学稳定性有待进一步的临床验证。

本研究模拟枢椎肿瘤切除后应用自主研发的组配式3D打印假体进行枢椎前柱重建，获取重建模型的力学性能分析参数。结果发现，在相同转角情况下，重建模型在6个工况中扭矩均较正常模型有所增加。这说明组配式3D打印假体置入枢椎前柱缺损模型后，重建模型的稳定性明显提升，假体能够较好地替代被肿瘤侵蚀的枢椎，起到较好的支撑和固定作用。在所有工况中，重建模型前屈时扭矩增加较少，这是由于正常颈椎活动过程中其他工况下黄韧带、棘间韧带等产生的形变不如前屈时的形变大，在手术去除黄韧带、棘间韧带后，前屈工况下的拮抗力较其他工况减少较多。右旋时重建模型最大应力位于假体处，对应位置为上、下假体交接面；其余工况下最大应力均位于置钉处，对应位置为假体与骨质交接面。各工况下最大应力均远小于该假体所使用的钛合金屈服强度（800 MPa），意味着在6种工况下，该组配式3D打印假体与既往一体式3D打印假体在内部稳定性上相似，不会出现形变、断裂等导致手术失败的情况，满足强度要求。由于不同工况下假体之间、骨与螺钉、螺钉与假体相对运动接触不同，螺钉与假体最大应力位置会存在一定差异。与螺钉头部接触的骨质面积小，与根部接触的骨质较薄，钉道周围骨质应力集中主要体现在与螺钉接触的头部和根部。骨皮质的抗拉强度为50 ~ 100 MPa，骨松质为10 ~ 20 MPa［2］，全工况下钉道骨质应力（1.13 ~ 6.65 MPa）均小于骨松质最小抗拉强度，出现螺钉从骨松质中脱出等导致内固定失败的可能性较低，重建稳定，满足强度要求，较为安全。

本研究存在一定局限性。因本研究主要探讨枢椎肿瘤切除后前柱重建的力学分析，故在建模期间对椎间盘、韧带等术中切除或离断结构做了简化，这与真实的上颈椎模型存在差异，今后仍需改进模型，开展进一步的生物力学实验研究。

综上所述，本研究通过三维有限元分析，证明组配式3D打印假体用于枢椎肿瘤切除后前柱重建具有较好的稳定性，较为合理的应力分布，为组配式3D打印假体的进一步研究和临床应用提供了理论依据。