高精度设计与增材制造患者专属的L5-S1椎间盘纤维环支架：一种基于流体动力学优化和生物力学原理的方法

《Journal of Medical and Biological Engineering》：High-Precision Design and Additive Manufacturing of Patient-Specific L5-S1 Annulus Fibrosus Scaffolds: A CFD-Optimized and Biomechanical Approach

　　

摘要

目的

增材制造（AM）技术能够制备出解剖结构精确、针对患者个体差异的椎间盘（IVD）修复用支架。本研究旨在建立一种集成工作流程，结合计算机辅助设计（CAD）、计算流体动力学（CFD）和力学-流变学特性分析，以开发针对患者个体的纤维环（AF）支架，并描述用于3D生物打印的明胶-海藻酸盐生物墨水的配方。

方法

通过尸体成像数据重建L5–S1纤维环的几何结构，并将其转换为STL格式，以便进行基于挤出的3D生物打印。通过计算流体动力学（CFD）指导的孔隙设计优化了支架的渗透性和壁面剪切应力（WSS）。对明胶-海藻酸盐水凝胶（含7–9%海藻酸盐、3–5%明胶）进行了无约束压缩（0–10%应变）和流变学特性分析。对生物打印出来的支架进行了形状保真度、孔隙率以及与L929成纤维细胞初步生物相容性的评估。

结果

生物墨水的杨氏模量可调，范围为2.23±0.4至3.01±0.6 MPa，处于天然纤维环组织的生理压缩范围内（0.4–3 MPa）。8%海藻酸盐-4%明胶的混合比例（2.6±0.4 MPa；切线弹性模量tan δ=0.46）实现了刚性、可塑性和可打印性的平衡。CFD指导的孔隙设计提高了营养物质的扩散性能，同时保持了支架的结构。生物打印出的支架能够再现患者特定的几何形状，并支持L929细胞的存活和附着。

结论

这种集成的CAD、CFD和力学-流变学方法为开发个性化的纤维环支架提供了有效的框架。在本工作流程中，建议使用8%海藻酸盐-4%明胶的配方作为纤维环支架的材料，这可能成为标准外科手术方法的替代方案，为未来的个性化再生疗法奠定基础。