一种钛-PEEK颈椎融合器的设计及其有限元分析

目的聚醚醚酮(PEEK)是融合器常用制备材料,具有良好的力学性能,但生物相容性差,影响骨整合效果。相较之下,钛合金生物相容性好,但刚度大,易导致融合器下沉。本研究旨在设计一款结合钛合金与PEEK两种材料优势的颈椎融合器,并验证其生物力学性能。方法依据健康人体CT扫描数据,重建C3~C7节段颈椎模型。使用PEEK材质的商用ROI-C融合器模型模拟构建C5~C6节段颈椎前路切除融合术(ACDF)手术模型,在前屈、后伸、左右侧弯和扭转工况下,计算分析颈椎融合器与融合器-椎体接触表面应力分布及术后颈椎活动度(ROM)。综合各种工况下融合器应力分布情况,对融合器进行拓扑优化,根据优化模型进行外部结构重新设计并赋予为钛合金材料,内部镂空部分填充为PEEK材料。最终,比较优化后的钛-PEEK颈椎融合器和商用ROI-C融合器在融合器-椎体接触表面应力分布与ROM的变化情况,评估钛-PEEK融合器的生物力学性能。结果与商用ROI-C融合器相比,钛-PEEK融合器的融合器-椎体接触表面应力下降明显,术后手术节段椎体活动能力有所提升。结论钛-PEEK融合器不仅继承了钛合金高生物相容性,降低了融合器下沉风险,还提高了椎体术后活动能力,减少了术后相邻节段椎间盘退化风险,为ACDF手术中融合器选用提供了新的可行性方案。