基于3D打印与PCL/nHA纳米复合材料的听骨链假体生物力学优化用于中耳重建

《Scientific Reports》：Biomechanical optimization of the ossicular chain prostheses using 3D-printing and PCL/nHA nanocomposite for middle ear reconstruction

　　

摘要

目前的听骨植入物受限于传统设计和材料，导致手术结果参差不齐。本研究引入了一种新颖的集成 VSim-3P 工作流，协同了虚拟手术规划 (VSP)、有限元分析 (FEA)、EMA、3D 打印和铸造技术，旨在建立个性化中耳重建的概念验证平台。PCL/nHA 纳米复合材料通过溶剂铸造法合成，并通过场发射扫描电子显微镜 (FESEM)、能量色散 X 射线光谱 (EDS)、X 射线衍射 (XRD) 和热重分析 (TGA) 进行了表征。拉伸测试显示，与 PCL 相比，PCL/nHA 的杨氏模量有所增加。利用 PCL/nHA 和 PCL 结合 MSLA 和铸造方法，直接基于临床 CT 数据制造出患者特异性且解剖结构精确的听骨。计算有限元分析 (FEA) 和实验性 EMA 被用于评估生物力学性能。EMA 显示每组样本内具有致的振动模式，包括完整听骨链 (OC) 结构以及带有植入体镫骨的人类锤骨/砧骨。有限元分析 (FEA) 在多种不连续情景下，系统地比较了多种材料下的解剖结构设计和传统设计。一种结合动态时间规整 (DTW)、均方根误差 (RMSE) 以及经过本雅明尼 - 霍赫贝格校正的皮尔逊相关系数的新型多指标排名系统，确定了六种高性能植入物（IAP-钛、IAP-PCL、SAP-PCL、SAP-钛、SAP-PCL/nHA 和 IAP-PCL/nHA）最接近自然听骨振动。有限元分析 (FEA) 表明，听骨韧带的力学作用深刻影响植入物性能，而这一因素在解释临床结果的变异性时往往被忽视。本研究强调了患者特异性设计和材料优化对于实现接近天然中耳性能的重要性。在所研究的材料中，PCL/nHA 成为一个特别有希望的候选者，它结合了有利的生物力学特性与生物特性（包括骨传导性、细胞粘附性和骨整合潜力），使其非常适合用于下一代听骨链植入物。