《Frontiers in Veterinary Science》：A personalized three-dimensional printed knee splint for mechanical mitigation of canine knee osteoarthritis and adjunctive nonsteroidal anti-inflammatory drug therapy
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引言： 犬膝骨关节炎（OA）涉及疼痛、炎症、关节负荷改变及运动功能受限。由于非甾体抗炎药（NSAIDs）不能直接纠正异常的关节力学，本研究在单碘乙酸（MIA）诱导的比格犬膝OA模型中，评估了个性化三维（3D）打印聚乳酸（PLA）膝支具单独使用或联合短期NS
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引言： 犬膝骨关节炎（OA）涉及疼痛、炎症、关节负荷改变及运动功能受限。由于非甾体抗炎药（NSAIDs）不能直接纠正异常的关节力学，本研究在单碘乙酸（MIA）诱导的比格犬膝OA模型中，评估了个性化三维（3D）打印聚乳酸（PLA）膝支具单独使用或联合短期NSAID治疗的效果。
方法： 12只犬被分为四组（每组n = 3）：OA无持续治疗组（OA）、单纯支具组（OA/Spt）、单纯NSAIDs组（OA/NSAIDs）及NSAIDs联合支具治疗组（OA/NSAIDs/Spt）。体内结局指标包括静态后肢负重对称性、膝关节活动范围（ROM）及利物浦犬骨关节炎评分（LOAD）、犬简版疼痛量表（CBPI）和犬骨科指数（COI）的疼痛与功能评分。采用代表性健康与OA膝关节模型进行有限元分析（FEA），作为描述性、基于模型的力学支持证据。
结果： 在模拟负荷下，支具应力低于聚乳酸（PLA）屈服阈值，并降低了OA模型中多项模型预测的力学指标，包括峰值应力、等效弹性应变、股骨髁接触压力及软骨总变形。在体内实验中，单纯支具治疗较无持续治疗表现出更好的短期功能结局，而OA/NSAIDs/Spt组在负重对称性、ROM及临床评分方面表现出最全面的改善。
讨论： 由于未进行正式的交互作用分析，联合治疗结果应被解读为更广泛的短期功能获益，而非交互作用效应的证据。这些初步结果支持个性化3D打印支具作为犬膝OA非甾体抗炎药治疗的潜在力学辅助手段。
论文解读：
一、研究背景与目的
犬骨关节炎（OA）是常见的慢性关节疾病，以疼痛、活动受限、肢体负荷改变及关节功能进行性丧失为主要特征。流行病学数据显示，8个月至4岁犬中放射学肢体OA患病率达39.8%，其中23.6%符合临床OA标准并伴有至少轻度疼痛。目前犬OA的治疗仍以药物为主，非甾体抗炎药（NSAIDs）因能减轻疼痛和炎症、改善活动能力而被广泛使用，但其无法直接纠正OA相关的异常关节负荷，且长期使用可能引起胃肠道或全身性不良反应。因此，探索能够改善力学支撑和功能状态的辅助性非药物干预手段具有重要临床意义。3D打印技术使个体化矫形装置成为可能，通过表面扫描和数字建模制作的支具可能比非个性化装置更贴合犬肢体解剖结构。有限元分析（FEA）可估算复杂解剖结构中的负荷分布，为生物力学评估提供模型依据。本研究旨在设计个性化3D打印聚乳酸（PLA）膝支具，通过有限元分析评估其潜在的生物力学卸载效应，并在MIA诱导的比格犬膝OA模型中比较单纯支具、单纯NSAIDs及联合治疗对短期功能结局的影响。
二、主要技术方法
研究人员采用多项关键技术方法开展研究。实验动物来源于广东比格犬种质资源研究开发中心，12只12月龄比格犬（体重11.0 ± 1.4 kg，雌雄各半）按体重分层随机分为四组。OA模型通过右膝关节腔内注射单碘乙酸（MIA）诱导，所有犬在造模后接受5天美洛昔康控制急性炎性疼痛。个性化膝支具采用CR-Scan Ferret Pro 3D扫描仪采集膝关节表面解剖信息，经Geomagic Studio优化处理后导入SolidWorks进行支具设计，采用熔融沉积成型（FDM）3D打印技术以PLA材料制作。有限元分析使用Mimics 21.0、Geomagic Wrap 2021、SolidWorks 2023和ANSYS Workbench 23.0软件，基于锥形束计算机断层扫描（CBCT）数据构建膝关节模型，所有组织简化为各向同性线弹性材料，施加21.34 N垂直负荷模拟生理站立状态。体内功能评估包括静态后肢负重对称性指数（SI）、膝关节活动范围（ROM）测量及LOAD、CBPI和COI临床评分。
三、研究结果
有限元分析结果： 在模拟负荷条件下，支具最大等效弹性应变为0.0043（0.43%），最大等效应力为12.87 MPa，低于PLA报道的屈服强度（40 MPa），表明支具在模拟站立负荷下保持弹性范围内，具有基本力学稳定性。在OA模型中，佩戴支具后股骨、胫骨、腓骨和关节软骨的峰值von Mises应力分别降低11.184、45.558、43.305和0.101 MPa，降低幅度大于健康模型，提示支具在OA条件下可能具有更明显的力学卸载潜力。股骨髁接触压力分析显示，OA模型佩戴支具后峰值接触压力从0.2384 MPa降至0.0753 MPa，降低0.1631 MPa，约为健康模型降低幅度的6.3倍。软骨总变形分析显示，OA模型佩戴支具后内侧髁最大总变形从3.4048降至1.1127 mm，外侧髁从3.9024降至0.9438 mm。等效弹性应变方面，OA模型佩戴支具后股骨、胫骨、腓骨和关节软骨的峰值应变分别降低80.46%、76.57%、72.90%和71.54%，均明显高于健康模型的降低幅度。
体内功能结局： 静态后肢负重对称性方面，造模前各组SI值均接近0，干预后OA组表现出最明显的负重不对称，而OA/Spt和OA/NSAIDs组SI值向0靠近，OA/NSAIDs/Spt组最接近对称负重，且与OA、OA/Spt和OA/NSAIDs组均有显著差异。膝关节ROM方面，干预后各组患肢ROM均下降，OA组下降幅度最大（ΔROM = ?61.3 ± 5.1°），OA/Spt组为?39.2 ± 2.9°，OA/NSAIDs组为?24.6 ± 3.5°，OA/NSAIDs/Spt组下降最小（?14.6 ± 3.2°），联合治疗组与OA和OA/Spt组差异显著。临床评分方面，OA组在多数评分项目中得分最高，OA/Spt和OA/NSAIDs组得分低于OA组，OA/NSAIDs/Spt组在大多数评分项目中得分最低，表明联合治疗在疼痛和功能评估中提供了更广泛的短期功能获益。
四、讨论与结论
研究人员指出，OA疼痛和功能障碍不仅源于炎症，异常关节力学可通过影响软骨细胞机械转导、Wnt-integrin信号、机械敏感离子通道及YAP/TAZ相关通路，促进炎症介质释放和细胞外基质降解。有限元结果支持支具作为潜在外部卸载装置的力学合理性：一方面PLA最大应力低于材料屈服强度，另一方面支具降低了OA模型中多项模型预测的力学指标。NSAIDs通过环氧化酶抑制减少前列腺素产生从而减轻炎症和疼痛，可能提高患肢负荷和活动的耐受性，但不能直接纠正异常关节力学；支具则通过外部支撑和局部负荷再分布提供不同贡献，两者可能产生互补效应。研究局限性包括每组仅3只犬、未进行先验样本量计算、观察期仅14天、有限元分析基于代表性模型且材料属性和边界条件简化，以及未纳入组织病理学、结构影像、炎症和分子终点指标。结论认为，个性化3D打印支具在模拟负荷下力学稳定，并降低了代表性OA模型中模型预测的力学指标；体内实验中OA/NSAIDs/Spt组在静态后肢负重对称性、ROM及LOAD、CBPI和COI疼痛/功能评分方面表现出最有利的总体短期功能特征，单纯支具和单纯NSAIDs各提供部分短期获益。这些发现支持个性化3D打印支具作为犬膝OA非甾体抗炎药治疗的潜在力学辅助手段，但需在不同品种和自然发生OA中进行更大规模和更长期的研
