《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Design and biomechanical evaluation of a 3D-printed lumbar interbody fusion cage with auxetic metamaterial structure
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张强|李俊伟|李远东|张宁泽|王慧智|杨阳阳|杨青青|莫富浩|程成功上海交通大学生物医学工程学院，中国上海200030摘要椎间融合笼广泛用于治疗退行性脊柱疾病，但其临床性能常受到应力屏蔽和笼体下沉等并发症的影响。为了解决这些问题，本研究提出了一种基于负泊松比（NPR）辅助生物材料
张强|李俊伟|李远东|张宁泽|王慧智|杨阳阳|杨青青|莫富浩|程成功
上海交通大学生物医学工程学院，中国上海200030
摘要
椎间融合笼广泛用于治疗退行性脊柱疾病，但其临床性能常受到应力屏蔽和笼体下沉等并发症的影响。为了解决这些问题，本研究提出了一种基于负泊松比（NPR）辅助生物材料的多孔腰椎融合笼，旨在调节骨-植入物界面的载荷传递。设计了两种具有相同孔隙率的笼子：一种基于三维凹形蜂窝结构（3DRH）的NPR笼子，另一种是基于传统蜂窝结构的正泊松比（PPR）笼子。在生理载荷条件下，使用经过验证的L3-L4有限元模型评估了它们的生物力学性能，并以密集型钛笼作为参考设计。这两种多孔笼子均通过选择性激光熔化（SLM）技术制造出来用于实验测试。有限元结果显示，NPR笼子能够使骨移植区域的载荷分布更加均匀，并降低了上、下终板处的峰值应力。此外，NPR笼子在移植区域表现出更高的应变能密度，这可能有助于促进与骨重塑相关的机械刺激。机械测试表明，NPR笼子的表观刚度更高，变形模式也更加均匀。这些发现表明，基于NPR的多孔笼子可以在保持高孔隙率的同时，降低应力屏蔽的风险，为改善腰椎椎间融合笼的生物力学环境和术后融合效果提供了一种潜在方法。
引言
腰椎椎间融合是一种常用的外科手术，用于治疗腰椎的退行性和创伤性疾病（Lee等，2024年）。全球约有2.66亿人患有症状性退行性脊柱疾病，对治疗的需求不断增长（Ravindra等，2018年）。该手术通过放置椎间融合笼来恢复椎间隙高度并重建节段稳定性，术后周围骨组织会逐渐重塑并与相邻椎体融合（Gittens等，2014年）。临床研究表明，腰椎椎间融合后的非结合率约为7-20%，而笼体下沉的发生率在15.9-70%之间（Meng等，2021年；Yao等，2020年）。这些并发症通常需要再次手术，给患者和医疗系统带来巨大的经济负担。
传统的钛合金笼具有良好的耐腐蚀性、机械强度和生物相容性（Patel等，2023年）。然而，钛笼与周围骨组织之间的刚性差异往往会导致应力屏蔽，从而增加伪关节、笼体下沉和植入物迁移等临床并发症的风险（Caparrós等，2014年；Chen等，2013年；Jung等，2015年）。根据Wolff定律，非生理载荷传递会降低移植区域的机械刺激，从而影响骨桥重塑和与相邻椎体终板的融合（Frost，2004年）。相比之下，聚醚醚酮（PEEK）是一种常用的非金属材料，其杨氏模量更接近骨的杨氏模量，从而减少了应力屏蔽。然而，其骨整合性相对较差，难以确保长期稳定的融合（Kurtz和Devine，2007年）。改善骨组织与植入物之间的机械相容性可以有效降低笼体下沉和应力屏蔽的风险，从而提高骨融合的可能性（Bandyopadhyay等，2010年；Chmielewska和Dean，2024年；Fogel等，2022年）。近年来，增材制造的进步为设计多孔钛合金椎间笼提供了新的技术途径（Kelly等，2021年；Lee等，2024年）。通过调整孔隙结构以降低有效弹性模量，使其更接近天然骨的弹性模量，这些设计在一定程度上可以改善骨长入并优化界面机械环境（Adl Amini等，2021年；McGilvray等，2018年；Wu等，2021年）。虽然增加孔隙率可以降低刚度并促进骨长入，但不可避免地会导致材料机械强度的下降（Wang等，2016年）。此外，即使仔细调节孔隙率和弹性模量，多孔钛笼的机械性能仍高于天然松质骨（Wang等，2022年）。这种机械不匹配可能会继续导致应力屏蔽，从而限制长期的骨重塑和稳定融合。设计具有类似天然骨弹性特性的高孔隙率生物材料仍然是一个关键挑战（Heinl等，2008年）。这些挑战表明，仅通过调节孔隙率和弹性模量可能不足以完全优化骨-植入物界面的机械环境。
辅助结构具有独特的机械性能，包括增强的剪切阻力、增加的能量吸收、改善的压痕抗性和更高的断裂韧性，这些特性使它们区别于传统的蜂窝结构（Du等，2025年；Hosseini和Mazaheri，2024年）。由于这些特性，辅助结构被认为是骨植入物的有希望的候选材料，因为它们可以有效调节界面应力，并在保持足够的压缩和疲劳性能的同时潜在地减少应力屏蔽（Shirzad等，2023年）。这些性能可能有助于在保持足够压缩和疲劳性能的同时减少应力屏蔽。辅助结构已应用于骨科植入物，包括髋关节植入物（A. Kolken等，2018年；Liu等，2023年）、椎体植入物（Jiang等，2023年；Lvov等，2023年）、骨钉（Sorrentino等，2025年）和骨螺钉（Wang等，2023年）。然而，当应用于腰椎椎间融合笼时，仍然存在一些基本的生物力学问题尚未解决。负泊松比结构固有的向心收缩和横向膨胀可能会减少关键骨-植入物界面（包括笼子-终板和笼子-骨移植界面）的有效接触面积，从而可能影响界面载荷传递和机械稳定性。此外，目前尚不清楚辅助结构是否能够在生理载荷条件下有效减轻应力屏蔽并增强移植区域的机械刺激，从而促进骨桥形成。
因此，本研究探讨了植入脊柱后的辅助结构椎间融合笼的生物力学行为。为了比较，使用了一种具有相同孔隙率的正泊松比笼子，并采用腰椎有限元模型在生理载荷条件下评估了终板应力和骨移植区域的应力分布，这些参数分别与笼体下沉和应力屏蔽相关的机械因素有关。这两种设计均通过选择性激光熔化技术制造出来，以确认其结构可行性。本研究提供了具有不同泊松比特性的3D打印椎间融合笼的生物力学比较，旨在为优化载荷共享和应力分布提供设计见解。
节选
辅助和非辅助腰椎笼的设计与制造
凹形蜂窝结构是一类典型的负泊松比结构，可以通过增材制造技术轻松制造（Lvov等，2020年；Wang等，2017年）。此外，二维凹形单元可以系统地排列成相应的三维辅助晶格结构，表现出明显的辅助变形行为（Yang等，2015年）。因此，选择了凹形蜂窝结构（3DRH）
负泊松比笼和正泊松比笼的应力和位移
图3显示了三种植入笼的冯·米塞斯应力分布。在相同的机械载荷条件下，密集型钛笼、NPR笼和PPR笼的应力分布相似。与密集型钛笼相比，PPR笼和NPR笼的峰值应力更高。在屈曲、伸展、左侧弯曲和右侧弯曲过程中，PPR笼和NPR笼的峰值应力都位于孔结构与固体框架的连接处。
讨论
负泊松比结构已被视为脊柱植入物的有希望的候选材料；然而，它们在椎间融合笼中的生物力学性能尚未得到充分研究。因此，需要系统地评估辅助融合笼在脊柱融合背景下的生物力学响应。
结论
本研究使用有限元分析和机械测试，定量评估了具有66%相同孔隙率的负泊松比（NPR）和正泊松比（PPR）多孔结构的腰椎椎间融合笼的生物力学性能。
CRediT作者贡献声明
张强：写作 - 审稿与编辑，撰写原始草案，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理。李俊伟：写作 - 审稿与编辑，软件，资源。李远东：写作 - 审稿与编辑。张宁泽：写作 - 审稿与编辑，软件，方法学。王慧智：写作 - 审稿与编辑，数据管理。杨阳阳：写作 - 审稿与编辑，方法学。杨青青：写作 - 审稿与编辑。莫富浩：写作 - 审稿与编辑，
未引用参考文献
A. Kolken等，2018年；Frost，1987年；Zhang等，2018年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
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? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中央高校的基础研究基金（授权号AF0820060）的支持。
