3D打印患者特异性终板接触面与传统制造可扩展机制组装的钛合金颈椎椎体切除融合器的力学评估

《3D Printing in Medicine 3,》：Mechanical assessment of a titanium cervical spine corpectomy cage assembled with 3D-printed patient-specific endplate-conformed contact surfaces and a traditionally manufactured expandable mechanism

本研究针对传统颈椎椎体切除融合器(ECC)终板接触面不匹配导致的应力集中问题，开发了由3D打印患者特异性终板接触面(PECS)与传统加工中心扩展机制(CEM)组装的新型钛合金ECC。通过FDA标准力学测试和有限元分析发现，PECS设计能显著降低终板应力集中，抗沉降性能优于平面终板接触面(FECS)（Kp值547 N/mm vs 257 N/mm）。尽管组装式ECC未完全通过ISO 23089标准测试，但证实了3D打印与传统加工组件组合时界面力学匹配的重要性，为个性化骨科植入物设计提供了新思路。

　　

在颈椎退行性疾病、创伤和肿瘤的治疗中，前路颈椎椎体切除融合术(ACCF)是公认的有效方法。但术后前柱支撑重建一直是个临床难题，传统钛网笼(TMC)和可扩展椎体切除融合器(ECC)虽广泛应用，却存在明显局限性。TMC需要术中修剪高度且接触面积有限，容易导致应力集中；而传统ECC的平面终板接触设计需要手术中打磨终板来匹配，反而增加了沉降风险。更棘手的是，现有ECC缺乏真正的个性化适配能力，无法完美匹配患者独特的终板解剖形态。

面对这一挑战，台湾阳明交通大学的研究团队创新性地提出了一种混合制造方案：将传统加工的标准化扩展机制与3D打印的患者特异性终板接触面(PECS)相结合。这种设计思路巧妙地将个性化适配与标准化生产的优势融为一体，既保证了植入物与患者解剖结构的精准匹配，又控制了制造成本。

研究团队基于患者颈椎CT影像（层厚0.625 mm），通过逆向工程软件重建C3下终板和C6上终板形态，设计出完全贴合的患者特异性终板接触面。PECS采用钛合金(Ti6Al4V)粉末通过金属3D打印制造，激光功率400 W，扫描速率0.6 m/s。中心扩展机制(CEM)则采用传统CNC加工和精密线切割技术制造，包含外套架、滑块组和中央驱动螺钉，通过键和键槽机制实现高度调节，扩展范围达13 mm。

关键技术方法

研究采用CT影像重建结合CAD布尔运算生成患者特异性终板接触面，金属3D打印制造PECS组件，传统CNC加工和电火花加工制造中心扩展机制。通过静态/动态力学测试（轴向压缩、压缩剪切、扭转）评估组装后ECC的力学性能，采用有限元分析比较PECS与平面终板接触面(FECS)的应力分布差异，使用人工骨块（15 pcf）进行沉降试验验证抗沉降能力。

力学性能测试结果

静态测试显示，轴向压缩刚度和屈服强度分别为2127±146 N/mm和8547±1213 N，压缩剪切测试为1158±139 N/mm和2561±114 N，扭矩测试为1.22±0.32 Nm/deg和16.5±0.58 Nm。动态疲劳测试中，ECC在1600 N轴向载荷、350 N剪切载荷和1.0 N·m扭矩下均能承受500万次循环。值得注意的是，剪切测试中固定螺钉出现断裂/松动现象，表明3D打印与传统加工组件的界面匹配存在挑战。

沉降抵抗性能

沉降试验结果显示，PECS的Kp值（546.71±93.7 N/mm）显著高于FECS（148.38±4.02 N/mm），表明患者特异性终板接触面设计能有效提高抗沉降能力约2.13倍。这一发现得到了有限元分析的进一步支持。

有限元分析结果

在不同载荷条件（扭转、后伸、侧弯）下，FECS模型在C3下终板和C6上终板的最大应力值均高于PECS模型。应力分布图显示，FECS与终板呈点状接触，导致应力集中；而PECS则实现面接触，应力分布更均匀。特别是在C6上终板，FECS的应力集中现象更为明显。

研究结论与意义

本研究成功开发了基于键/键槽机制的传统加工中心扩展机制与3D打印患者特异性终板接触面组装的ECC装置。尽管组装后的ECC未能完全通过FDA的ISO 23089标准力学测试，但研究揭示了3D打印组件与传统加工部件组装时界面力学行为不匹配可能导致机械失效的重要问题。

有限元分析和沉降试验一致证明，患者特异性终板接触面(PECS)能有效分散ECC与终板间的应力，避免应力集中，展现出优异的抗沉降性能。这一发现为个性化骨科植入物的设计提供了重要理论依据。研究强调，在多组件医疗器械中组合不同制造工艺的部件时，必须进行严格的力学测试以确保界面兼容性。

该研究发表于《3D Printing in Medicine》2025年第11卷第50期，不仅展示了个性化医疗在骨科领域的应用前景，也为混合制造策略在医疗器械开发中的可行性提供了重要参考。未来通过优化制造工艺（如电子束熔化技术）和界面设计，有望进一步提升组装式植入物的力学性能和临床适用性。