[发明专利]一种3D打印个性化定制人工椎体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明设计了一种全脊柱椎体切除术后，脊柱椎体重建领域，具体涉及一种3D打印个性化定制人工椎体及其制备方法。

背景技术

椎体肿瘤、结核、骨折等多种因素常常可导致椎体严重的破坏，造成脊柱骨折，失稳，出现神经、脊髓损害症状，甚至出现截瘫。这类患者往往需要手术将病椎切除，使得脊髓充分减压，从而缓解疼痛，改善神经激素功能。但是手术会造成局部骨质缺损，脊柱连续性破坏，严重影响脊柱支撑功能以及稳定性。因而恢复脊柱的连续性，重建脊柱的稳定性就显得至关重要。目前脊柱肿瘤的发病率逐年提高，脊柱结核和脊柱骨折导致的椎体破坏也呈上升趋势，每年都有大量的患者需要进行全椎体的置换，对整个社会都是沉重的医疗负担。目前对于椎体重建采用的方法主要有：①植骨重建，包括自体骨块与异体骨块移植；②假体重建，包括钛网和人工椎体。

目前自体髂骨移植，存在骨量不足、供骨区并发症及不能提供即刻稳定等缺点，异体骨移植但存在免疫排斥反应、感染病毒、异体骨被取代慢，临床应用受到限制。而对于传统钛网和钛合金人工椎体，其强度大，但弹性模量(110GPa)远远高于天然骨(皮质骨约3-12GPa)，存在金属－骨的界面问题，会产生应力屏蔽，导致骨吸收而发生植入体松动，塌陷，移位等并发症。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过3D打印实现个体化定制假体，使其更好的与上下椎体匹配。同时通过生物活性处理提高人工椎体的生物相容性，诱导新骨生长，从而达到良好的骨整合，促进人工椎体的骨性融合的3D打印个性化定制人工椎体及其制备方法。

为达到上述目的，本发明3D打印个性化定制人工椎体包括中空、两端通透的高度与缺损椎体相邻的正常椎体终板之间距离相等的多孔纺锤型人工椎体，椎体两端直径小于病椎相邻的正常椎体终板外径2mm-4mm；椎体中段直径为两端终板等比缩小25％-35％并与两端连接形成流线体，多孔纺锤型人工椎体的孔径0.4mm-0.6mm，丝径0.25mm-0.4mm，孔隙率55％-75％；椎体上、下两端有向内平行延伸1mm-3mm，厚度为2mm的上、下端屋檐多孔结构，沿上、下端屋檐多孔结构向内平行延伸有厚1mm-1.5mm，宽2mm的上、下端环形实体梁，椎体中部设置有中间环形实体梁，椎体中轴线的矢状位和冠状位各设置一组高度与椎体一致厚1.5mm-2.5mm，宽3mm的前后、左右实体梁。

所述的多孔结构8采用正十二面体结构或者骨小梁结构。

本发明3D打印个性化定制人工椎体的制备方法包括以下步骤：

1)多孔钛合金个性化人工椎体制备

将待打印的个性化定制人工椎体模型数据输入EBM设备，并在EBM设备中加入钛合金粉末，首先在650℃以30mA的电子束流，以15000mm/s的扫描速度预热粉末，然后以6mA的电子束流，400mm/s的扫描速度逐层熔化钛合金粉末，最后制备成与预期形状一致的多孔钛合金个性化人工椎体；

2)人工椎体活性处理

2-1)构建微米级氧化钛活性表面涂层

将制备的多孔钛合金个性化人工椎体作为工作电极，采用恒电压模式制备涂层：将制备的多孔钛合金个性化人工椎体置于醋酸钙浓度为0.2mol/L，β甘油磷酸钠浓度为0.04mol/L的电解液，在频率为200Hz，占空比为15％，以恒定350V电压下脉冲-直流电源对试件进行微弧氧化处理后在恒温水浴下再处理5min，得到表面具有氧化钛的多孔钛合金个性化人工椎体；

2.2构建纳米级钛酸钡压电活性表面涂层

以表面具有氧化钛的多孔钛合金个性化人工椎体作为钛源，原位自转化合成钛酸钡压电陶瓷涂层：在100-120℃下不锈钢高压反应釜中，将表面具有氧化钛的多孔钛合金个性化人工椎体置于Ba²⁺浓度为0.25mol/L的Ba(OH)₂溶液中，采用NaOH调节PH值至13，反应压力控制在0.7-1.1MPa，反应时间1-3小时，氧化钛溶解与溶液中的钡离子原位反应在氧化钛的多孔钛合金个性化人工椎体表面生成钛酸钡。

本发明通过3D打印技术，对需要修复的缺损椎体行个体化设计重建，使人工椎体与邻近阶段精确匹配。在保证足够机械强度的前提下，通过控制孔隙率、孔径大小、孔的形状及分布等多种参数，有效降低人工椎体的弹性模量，实现与自然骨的弹性模量相匹配。同时通过多多孔钛合金人工椎体得活化处理，促进骨组织长入，增强人工椎体的机械锁固，从而获得更好的长期固定效果。