评估表面纹理设计对椎间融合器机械性能的影响

《Materials & Design》：Evaluating the influence of surface texture design on the mechanical performance of interbody spinal cage devices

　　

研究人员修改了测试方法，将表面纹理效应分离，该方法改编自ASTM F2077和F2267。多孔表面比等效实心表面具有更好的机械性能。纹理设计对装置机械性能有显著影响（P<0.05）。机加工纹理与增材制造纹理之间无显著差异（P<0.05）。

**论文解读：表面纹理设计对椎间融合器机械性能的影响**

**研究背景与问题**
脊柱疾病如腰椎滑脱和退行性椎间盘疾病常通过植入椎间融合器（interbody fusion device, IBFD）治疗。IBFD置于L5-S1节段，承受高达1400 N的生物力学载荷，易导致不稳定、下沉（subsidence）和移位（migration），这些是术后融合失败的主要原因。现有标准测试方法（如ASTM F2077、F2267）主要评估装置整体力学属性，未明确考虑表面特征对骨-植入物界面稳定性的影响。已有研究表明，表面纹理可影响骨整合（osseointegration）和微动（micromotion），但缺乏对不同几何组合和加工技术的系统比较。增材制造（additive manufacturing, AM）技术（如粉末床熔融-激光束/金属，PBF-LB/M）和电火花加工（electric discharge machining, EDM）均可用于制造表面纹理，但两者对机械性能的影响尚不明确。因此，本研究旨在评估表面纹理设计对IBFD与仿骨材料（sawbone）界面机械性能的影响，并比较AM与EDM两种加工技术的差异。

**研究内容与结论**
研究人员使用PBF-LB/M制备了50个Ti-6Al-4V IBFD样本，分为10组，包含7种AM纹理设计、1个平面对照组，以及2种EDM纹理设计（复制AM4和AM5）。通过动态轴向压缩测试（模拟早期植入阶段，5000周期，±100 N循环）和静态剪切压缩测试（30°倾角加载至失效），评估了各组在微动、刚度、极限力、位移及仿骨损伤方面的表现。结果表明，表面纹理设计显著影响IBFD的机械性能：动态测试中，平行脊状纹理（AM2）和平面多孔纹理（AM7）表现出最低微动（45–50 μm）和高刚度；静态测试中，锥状纹理（AM1）和AM2具有最高极限力（约6.6 kN）和刚度。AM与EDM制造的对应纹理之间无显著差异（P>0.05），但EDM表面更光滑，却存在碳、氧、铜污染，需后处理才能达到生物相容性要求。总体而言，AM2（平行脊状纹理）在动态和静态测试中均表现优异，且对仿骨损伤最小。该研究发表在《Materials》。

**关键技术与方法**
- 样本制备：使用PBF-LB/M（Renishaw RenAM 500 M）以Ti-6Al-4V Grade 23粉末（15–45 μm）打印IBFD（30×30×17 mm，壁厚8 mm）；EDM纹理通过Agie Charmilles Form P 350线切割电火花加工机在AM平面基体上加工。
- 仿骨材料：Grade 35聚氨酯泡沫（sawbone，约560 kg/m3，来自sawbones.com），模拟健康松质骨。
- 力学测试：Dyna-mess TE7 HCF系统，动态轴向压缩（700 N预载，5 Hz，5000周期）和静态剪切压缩（30°倾角，0.1 mm/s速率，峰值力下降10%终止）。
- 表面表征：Keyence VHX-5000共聚焦显微镜、Accretech Surfcom Touch 50轮廓仪、JEOL JSM-IT210扫描电子显微镜（SEM）及Diondo d5 CT扫描。
- 统计分析：R Studio（2024.04.2），ANOVA（α=0.05）及Kruskal-Wallis检验，Tukey HSD或Dunn事后检验。

**研究结果**
**3.1. PBF-LB/M与EDM表面形态比较**
通过CT、SEM和轮廓仪分析，EDM表面粗糙度（Ra 3.4 μm）比AM表面（Ra 13.4 μm）低74%，特征更尖锐、对称性更好。但EDM表面存在高碳、氧和微量铜污染，源自加工过程中的再铸层（recast layer），影响生物相容性。

**3.2. 动态压缩加载**
所有样本在5000周期内未发生机械失效。AM2（平行脊）、对照组（平面AM）和AM7（多孔平面）表现出最低微动范围（39–55 μm），其中AM2平均微动仅45 μm，与对照组无显著差异（Padj=0.9987）。AM1（全锥状）微动最大（75 μm），刚度最低。EDM组与对应AM组（AM4 vs EDM1，AM5 vs EDM2）在微动和刚度上无显著差异（Padj>0.98）。

**3.3. 静态剪切压缩**
所有纹理组极限力均显著高于对照组（平均3545 N），其中AM1（6607 N）和AM2（6667 N）最高。对照组位移最大（8.5 mm），EDM1位移次之（6.82 mm）。AM1刚度最高（1669 N/mm），对照组最低（627 N/mm）。EDM组与对应AM组在极限力、位移和刚度上无显著差异（P>0.05）。纹理方向影响性能：脊状纹理垂直于剪切方向时刚度更高。

**3.4. 仿骨表面相互作用**
测试后仿骨损伤分为5级（1无损伤至5严重裂纹）。AM1、AM2、AM3和AM6损伤最小（仅印记），对照组和AM7出现严重裂纹，EDM组与对应AM组损伤模式相似。AM表面存在部分烧结Ti-6Al-4V颗粒转移至仿骨表面，EDM表面无转移。

**讨论与结论**
表面纹理设计通过影响接触面积、应力集中和摩擦特性，显著改变IBFD的机械稳定性。动态测试中，平面、多孔或平行脊状纹理因接触面积大而降低微动；静态测试中，锥状纹理因嵌入能力强而提高极限力。混合设计（如AM4、AM5）性能介于纯锥与纯脊之间。AM2因平衡了尖锐特征与接触面积，在两种测试中均表现优异，且对仿骨损伤最小。EDM虽精度高，但加工时间长、污染问题严重，且机械性能无显著优势，故不适用于直接植入。研究结论如下：
1. 比较脊状与锥状纹理，锥状在静态剪切压缩中表现更好，脊状在动态压缩中更好；混合纹理在动态中性能介于两者之间，静态中则较低。
2. 综合考虑所有指标，平行脊状纹理（AM2）性能最佳，因其在锐利度与接触面积间取得平衡，有效控制下沉和微动。
3. 纹理设计影响仿骨变形和开裂，失效均发生在仿骨或界面，而非IBFD本身。
4. 平面与多孔表面在动态中高刚度、低微动，但静态中易滑移导致裂纹。
5. 应结合平面、多孔和锯齿设计以优化载荷分布。
6. AM与EDM制造的纹理在机械性能上无显著差异（P>0.05），但EDM需更长加工时间并存在污染风险。
7. 与平面AM相比，多孔或锯齿纹理可改善生物力学性能，但不当设计可能对界面产生负面影响，需进一步优化以适应不同骨质量。