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为解决脊柱生物力学研究中缺乏有效腰椎脊柱模型的问题，研究人员开展了 3D 打印 L1-S1脊柱模型及评估其位移控制加载响应的研究。结果显示模型在多种弯曲模式下表现良好。这为替代传统测试平台提供了可能。
在医学研究的舞台上，脊柱生物力学一直是备受瞩目的领域。以往，人类和动物尸体测试是脊柱植入物开发的 “金标准”，但它就像一把双刃剑。一方面，尸体的生理差异巨大，不同个体的病史不同，导致测试结果的可重复性差，难以准确评估不同植入物设计的性能差异；另一方面，随着人们伦理意识的提高，使用尸体进行测试引发了越来越多的道德争议。同时，有限元模型虽有发展，但受限于患者解剖数据的质量和范围，且在模型复杂性增加时，常需做出简化假设，影响其准确性和应用范围。因此，开发可重复且经过验证的人体腰椎脊柱模拟模型迫在眉睫。
在这样的背景下，来自麦吉尔大学（McGill University）的研究人员 Siril Teja Dukkipati 和 Mark Driscoll 勇挑重担，开展了一项意义非凡的研究。他们致力于开发一种完全 3D 打印的 L1-S1模拟脊柱模型，并评估其在屈伸（Flexion-extension，F-E）、侧弯（Lateral bending，LB）和轴向旋转（Axial rotation，AR）弯曲模式下的位移控制加载响应特征。最终，他们成功开发出该模型，并通过一系列测试验证了模型在多种弯曲模式下的性能。这一成果发表在《3D Printing in Medicine 3,2》上，为脊柱生物力学研究开辟了新的道路。
研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先，他们从日本文部科学省生命科学数据库中心开发的 “BodyParts3D/Anatomography” 获取了一名 22 岁健康男性的 3D MRI 图像，以此构建了椎骨和椎间盘（Intervertebral disc，IVD）的 3D 模型；然后根据腰椎解剖结构对韧带进行建模，并通过立体光刻 3D 打印技术，使用刚性和柔性光聚合树脂制造出模型；最后，利用定制的弯曲夹具和扭转测试机，对模型施加位移控制的纯弯矩，记录模型在加载过程中的旋转和抗力矩，从而量化模型的旋转刚度和滞后现象。
下面来看具体的研究结果：
- 模型在加载下的响应：模型在加载和卸载过程中呈现滞后响应，其刚度响应在测试的运动范围内呈非线性的 S 形，这与人类腰椎节段在弯曲时的特征相符。在 20 个测试周期中，模型表现出极佳的重复性，在屈伸、侧弯和轴向旋转方向上的标准差都很低。
- 屈伸模式下的性能：模型在 15° 屈曲时达到最大 5.66±0.02 Nm，15° 伸展时达到 3.54±0.05 Nm。与文献中的体外和计算机模拟数据相比，该模型的均方根误差（Root mean square error，RMSE）较低，且模型响应在人类响应的一个标准差范围内。
- 侧弯模式下的性能：在侧弯模式下，模型的刚度约为人体的 1.67 倍，但模型的弯矩 - 旋转曲线的非线性形状与文献中的体外和计算机模拟研究非常相似，且在左右侧弯时表现出高度的双侧对称性。
- 轴向旋转模式下的性能：在轴向旋转模式下，模型在 15° 右旋和左旋时分别记录到最大弯矩 2.46±0.07 Nm 和 2.60±0.03 Nm，约为人体体外响应的三分之一，但弯矩 - 旋转曲线形状与人体体外脊柱响应相似，同样具有双侧对称性。
- 加载速率的影响：研究还发现，位移控制加载方法与之前研究中的载荷控制方法相比，在所有三个弯曲方向上，加载和卸载曲线之间的面积较小，曲线更平滑。这表明位移控制加载时模型的应变率恒定，而载荷控制加载时应变率是非线性的。
研究结论和讨论部分意义重大。该研究成功开发出可重复的 3D 打印 L1-S1脊柱模拟模型，并在 ±15° 的三个正交弯曲模式下进行了验证。在低载荷下，模型的刚度范围与实验和模拟数据相符，且具有高度的重复性和双侧对称性。然而，模型在侧弯和轴向旋转时相对人体较软，需要使用更硬的光聚合树脂进行改进。此外，模型基于特定个体的脊柱几何形状，与验证用的体外模型存在差异，可能影响结果。未来研究可进一步评估模型刚度响应的统计学意义，探究外部因素对模型的影响，还可通过纳入 3D 打印晶格结构模拟骨质疏松或椎体肿瘤等情况，增强模型的功能。虽然目前该模型不能用于植入物的安全性或批准测试，但它为开发更完善的腰椎模拟模型奠定了坚实基础，有望在未来的脊柱生物力学研究和植入物测试中发挥重要作用，推动医学领域的进步。
