钛合金与PEEK椎间融合器在L4-L5节段生物力学性能的有限元对比研究

为解决腰椎退行性疾病中椎间融合器材料选择争议，研究人员通过有限元分析对比钛合金与聚醚醚酮(PEEK)融合器在L4-L5节段的生物力学表现。结果显示钛合金融合器在运动范围(ROM)降低和应力分布均匀性方面显著优于PEEK，为临床选择高稳定性植入物提供了理论依据。

　　

腰痛已成为困扰现代人的常见健康问题，其中腰椎间盘退变是重要诱因。当保守治疗无效时，经椎间孔腰椎椎体融合术(TLIF)成为外科医生的有力武器。在这场"脊柱稳定之战"中，椎间融合器扮演着关键角色——既要撑起椎间隙，又要促进骨融合。然而关于融合器材料的争论从未停歇：是选择弹性模量接近骨组织的聚醚醚酮(PEEK)，还是青睐生物相容性更优的钛合金？这个看似简单的选择题，实则关乎数百万患者的术后康复质量。

为解答这一临床难题，Zhijun Li等研究团队在《Journal of Medical and Biological Engineering》发表最新研究成果。研究采用成人L4-L5节段CT数据构建三维非线性有限元模型，分别模拟植入钛合金和PEEK融合器后的生物力学表现。通过六种载荷工况下的对比分析，揭示了两种材料在脊柱稳定性方面的本质差异。

关键技术方法包括：基于64排螺旋CT扫描数据（层厚0.1mm）重建L4-L5节段三维模型；使用Materialise Mimics软件进行图像处理；采用HyperMesh生成包含皮质骨、松质骨、终板等结构的有限元网格；通过Abaqus求解器模拟前屈/后伸、侧弯、旋转等生理负荷；比较两种融合器的运动范围(ROM)和应力分布特征。

3.1 融合节段运动范围对比

有限元分析显示钛合金融合器在所有运动模式下均表现出更优异的稳定性。前屈时ROM降低16.7%（钛合金3.76° vs PEEK 4.23°），后伸降低13.4%，侧弯降低26.8-34.2%，旋转降低1.3-9.2%。这种稳定性优势主要源于钛合金更高的弹性模量(110GPa)和优化的孔隙结构设计。

3.2 融合器应力分布特征

虽然钛合金融合器峰值应力较高（前屈45.83MPa vs PEEK 38.79MPa），但其应力分布更均匀，特别是在终板接触区域。值得注意的是，PEEK融合器在右旋转时出现塌陷现象，而钛合金在所有工况下均保持结构完整性。

讨论部分指出，钛合金的优越性能来自三重机制：孔隙结构降低有效弹性模量，减轻应力屏蔽效应；表面特性促进骨长入；整体刚度提供即刻稳定性。相比之下，PEEK虽然弹性模量(30GPa)更接近骨组织，但疏水表面特性限制了细胞粘附，且力学稳定性不足可能增加术后并发症风险。

该研究为临床决策提供了重要依据：在需要早期稳定性的TLIF手术中，钛合金融合器可能是更优选择。其创新性在于首次在统一模型中系统比较了两种材料的生物力学表现，并揭示了孔隙结构对钛合金性能的调控作用。未来研究可进一步探索孔隙率梯度设计对骨整合的促进作用，为个性化植入物开发提供新思路。