研究背景我国每年都有大量病人因脊柱退变性疾病、脊柱外伤等原因需要接受手术治疗。颈椎手术是其中较为常见的一类,术中人们往往需要使用一种内植物来放置在取出椎间盘后的颈椎椎间隙,起到恢复椎间高度、促进上下椎体骨性融合等作用。最早的时候人们采取的方式是取自体骨作为移植物,但自体移植骨容易发生塌陷、假关节形成等并发症。因此,人们发明了颈椎椎间融合器来替代自体骨移植。椎间融合器可以起到支撑椎间高度的作用,同时融合器内部往往会设置植骨窗用来填充骨赘。起初的椎间融合器是由金属制成的,它们显示出了良好的骨融合率,术后病人症状改善也较好。但金属融合器的缺点在于其弹性模量与骨相差较大,术后内植物沉降的发生仍较为常见。此外,钛合金等金属是不透射线的,这使得椎间融合器植入术后难以通过透视成像来判断融合的效果。随着材料学的发展,高分子聚合物聚醚醚酮(PEEK)逐渐被应用于制作椎间融合器。PEEK材料的优点是射线可透性以及弹性模量接近人骨等。但PEEK材料也存在骨整合能力不强等缺点。3D打印技术在医疗领域的应用使得椎间融合器的个体化成型及内部精细结构的构建成为可能。钛合金、PEEK材料都是目前用于椎间融合器3D打印研究较为常见的材料。骨科内植物的表面改性可以克服原有内植物的一些缺点,因此被广泛研究。PEEK材料的表面改性包括表面涂层、物理方法改性和化学方法改性等。研究目的设计一种新型钛合金材料的颈椎椎间融合器和两种新型PEEK材料的椎间融合器,并使用3D打印技术快速成型,采用表面改性技术改善部分融合器性能。通过将这几种新型椎间融合器及对照组融合器植入羊的颈椎,并在术后一段时间内测量相关数据,验证新型椎间融合器在促进骨融合方面是否具有优势。研究方法1、通过CT扫描等方式取得实验用山羊颈椎的相关解剖学数据,用以设计个性化椎间融合器的尺寸;2、设计制作一种新型的具有梯度多孔结构的钛合金颈椎椎间融合器;3、设计制作两种新型的分别具有矩形多孔结构和蜂窝状多孔结构的PEEK材料颈椎椎间融合器,并对其进行表面改性;4、将上述设计制作的3种新型颈椎椎间融合器及对照组颈椎椎间融合器通过手术分别植入8只山羊的颈椎;5、术后3个月对山羊颈椎进行影像学检查及生物力学测试,比较各组骨融合效果的差异;随后拟进一步行颈椎相应节段组织学检测等。结果1、CT扫描结果显示,山羊颈椎椎间隙与人类颈椎椎间隙高度较为接近,但上下终板曲度与人不同,且山羊颈椎椎体高度明显大于人类;2、术后3个月的X线及螺旋CT检查结果显示,对照组PEEK材料融合器中央区域有明显骨桥形成,实验组1新型多孔钛合金融合器的上下及内部均有较高密度骨组织形成,实验组2、实验组3新型多孔PEEK材料融合器内部出现较均匀的密度增高。3、术后3个月的生物力学测试及Micro-CT检查显示,实验组1新型多孔钛合金融合器的骨融合效果优于对照组;实验组2、实验组3新型多孔PEEK材料融合器的骨融合效果则比对照组差。结论羊的颈椎与人具有一定相似性,可以作为脊柱内植物实验的动物模型,但须在术前熟悉解剖结构,术中小心操作。钛合金颈椎椎间融合器结合梯度多孔结构可以有效地模仿天然骨的密度渐变,孔隙率较高的区域为骨细胞的迁移、增殖和分化提供了足够的空间,而孔隙率较低的区域保证了承载要求的足够的机械性能。动物实验的初步结果也显示其相对于对照组具有更好的骨融合能力。PEEK材料颈椎椎间融合器结合多孔结构及表面改性在本次实验中并未体现出良好的骨融合效果,其生物力学及Micro-CT测试结果均比对照组差。此类融合器的研究设计有待改进及进一步的实验验证。