3D打印多孔钛笼在腰椎椎间融合中的应用

Kai Su; Peng Sun

doi:10.3791/70575

综述文章

3D打印多孔钛笼在腰椎椎间融合中的应用

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DOI：

10.3791/70575

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2026年4月30日

Kai Su¹ , Peng Sun¹

¹Department of Spinal Surgery, Zibo First Hospital

本文内容

摘要

本文综述了腰椎椎间融合术中应用的3D打印多孔钛合金融合器的现有证据，整合了材料设计原理、生物力学性能及临床结果。鉴于临床应用日益广泛且相关报道存在异质性，对现有数据进行系统性评估具有时效性和临床意义。

摘要

腰椎退行性疾病是脊柱外科手术最常见的适应证之一，腰椎椎间融合术（LIF）在其治疗中仍处于核心地位。椎间融合 Cage 的性能在很大程度上取决于其材料组成和结构设计，这些因素会影响节段稳定性以及骨融合的质量。本文综述了三维打印多孔钛（3D-pTi）椎间融合 Cage 的材料特性、生物力学原理、生物学行为及其临床应用。增材制造技术的进步使得能够精确控制孔径大小、孔隙率和晶格结构，从而使 3D-pTi Cage 的弹性模量可被调节至更接近松质骨的水平。这些优化可能改善载荷传递，减少应力遮挡，并促进有利于骨整合的微环境。相互连通的多孔结构与粗糙表面有助于成骨细胞黏附、骨长入和早期血管化。多项临床前研究一致表明，与实心钛合金和聚醚醚酮（PEEK）植入物相比，3D-pTi Cage 可实现更高的骨-植入物接触率和骨体积分数。在经椎间孔腰椎椎间融合术（TLIF）、侧方腰椎椎间融合术（LLIF）和前路腰椎椎间融合术（ALIF）中的早期临床研究结果显示，3D-pTi Cage 可实现较高的影像学融合率，维持椎间隙高度，并表现出可接受的短期安全性。然而，现有研究受限于样本量较小、方法学异质性以及随访时间相对较短。总体而言，3D-pTi Cage 是一种具有前景的、生物力学相容性良好且具备骨传导性的退行性疾病腰椎椎间融合治疗选择。但其长期临床获益、成本效益以及最佳适应证仍需通过设计严谨的研究进一步验证。

引言

随着人口老龄化和生活方式的改变，腰椎退行性疾病（如椎间盘退变性疾病、腰椎管狭窄症和退行性脊椎滑脱症）已成为脊柱外科临床实践中最常见的疾病之一¹^,²^,³。对于影像学显示存在节段性不稳、明显神经压迫或保守治疗无效的患者，腰椎椎间融合术（LIF）是一种重要的外科治疗手段，可用于恢复脊柱稳定性、矫正畸形并缓解神经压迫⁴。常用的LIF技术包括经椎间孔腰椎椎间融合术（TLIF）、后路腰椎椎间融合术（PLIF）、前路腰椎椎间融合术（ALIF）和侧方腰椎椎间融合术（LLIF）⁵^,⁶^,⁷^,⁸。无论采用何种入路，实现可靠且持久的椎间融合仍是决定临床疗效的关键因素。

在腰椎融合手术中，椎间融合器的材料、尺寸、结构设计及置入角度会影响节段稳定性、终板应力分布，以及最终的融合质量⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³。早期临床实践主要依赖自体髂骨移植或异体骨移植提供椎间支撑；然而，这些方法存在供区并发症、较高的并发症发生率、结构强度有限以及移植物塌陷风险较高等问题。随后采用的实心钛合金融合器具有较高的机械强度和结构稳定性，有助于在融合过程中维持椎间隙高度¹⁴。然而，实心钛的弹性模量远高于松质骨，可能导致应力遮蔽，并在某些情况下增加终板沉降的风险¹⁵。聚醚醚酮（PEEK）融合器的弹性模量更接近皮质骨，且在影像学上呈透光性，因此已得到广泛应用。但PEEK通常被认为生物学惰性较强，促进人源间充质干细胞成骨分化的内在能力有限。相比之下，钛合金已被证实可在体外增强细胞黏附、碱性磷酸酶活性及钙沉积in vitro¹⁶。为克服上述局限，新型植入物如钛涂层PEEK融合器、可扩张融合器以及通过增材制造或具有多孔结构的PEEK植入物相继问世，旨在改善骨-植入物界面结合，同时保留理想的力学特性。目前关于传统PEEK、增材制造PEEK与3D打印钛合金融合器之间的比较证据仍在不断积累，尚无普遍公认的“理想”椎间融合器材料。

近年来，三维打印多孔钛（3D-printed porous titanium, 3D-pTi）融合器已成为腰椎融合研究的主要焦点。初步临床研究报道，在前路和侧方腰椎椎间融合术中，该类融合器表现出令人鼓舞的影像学融合模式以及可接受的临床疗效¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰。然而，其与传统及增材制造的聚醚醚酮（PEEK）融合器相比，在沉降风险、再手术率以及不同手术技术与患者亚组间的疗效差异等方面的表现，仍处于积极研究之中。现有研究常受限于样本量较小、方法学异质性以及随访时间相对较短等问题。尽管近期已有若干系统综述与荟萃分析总结了三维打印钛合金融合器的临床结果，但大多数研究主要聚焦于影像学或临床终点的比较，往往仅将这些植入物视为替代性融合器材料，而未充分关注其作为设计驱动型技术演进产物的特性。越来越多的证据表明，3D-pTi 融合器的临床性能可能受到多种因素影响，例如晶格结构设计、弹性模量匹配、生物学骨整合机制以及针对患者的个体化结构优化等——这些要素在既往的证据整合中尚未得到充分纳入。

因此，为了更好地指导腰椎退行性疾病的临床决策，有必要更全面地了解3D多孔钛（3D-pTi） Cage 的力学和生物学特性，以及其与外科技术及生物增强策略之间的相互作用。在此基础上，本篇叙述性综述系统整合了当前相关知识，涵盖材料开发、生物力学与生物学机制、临床证据以及新兴的转化研究视角，包括患者特异性植入物设计和数据驱动的优化策略。通过融合工程学进展与临床需求，本综述旨在提供一个平衡且具有临床相关性的框架，超越以往以结局为导向的综述研究。

综述与观点

文献检索策略
本综述采用结构化的文献检索方法，以确保全面涵盖相关证据。通过检索包括PubMed、Web of Science、Embase和Scopus在内的电子数据库，收集2010年1月至2025年12月期间发表的研究。检索策略包含以下关键词的组合：“3D-printed titanium cage”、“porous titanium”、“lumbar interbody fusion”、“spinal fusion”、“additive manufacturing”和“osseointegration”。纳入的研究包括原始临床研究、生物力学研究、动物实验以及聚焦于使用3D打印多孔钛植入物进行腰椎椎间融合的相关综述文章。排除与脊柱应用无关的研究、非英文文献、无完整数据的会议摘要以及重复报告。根据文章与3D打印多孔钛 Cage 的生物力学特性、生物学性能、临床结果及转化前景的相关性进行筛选。

3D-pTi 笼的设计与特性

设计概念与制造工艺
3D 打印多孔钛（3D-pTi） Cage 的结构灵活性源于增材制造（AM）技术，而非钛材料本身固有。AM 技术也已应用于其他生物材料，包括聚醚醚酮（PEEK）和钴铬合金，可在设计阶段实现几何形状的定制化。通过选择性激光熔融（SLM）或电子束熔融（EBM）等技术，可在计算机辅助设计过程中预先定义 Cage 的宏观几何结构和微观晶格架构²¹^,²²。通过调整打印参数并应用拓扑结构设计算法，可在保留骨长入通道的同时，调控结构强度和弹性模量²³^,²⁴。尽管 SLM 与 EBM 在加工特性上存在差异，但目前的证据尚无法明确支持在脊柱椎间融合应用中某一种技术优于另一种。3D 打印多孔钛椎间融合 Cage 的基本设计原理如图 1所示。

生物力学特性
从生物力学角度来看，3D多孔钛（3D-pTi）椎间融合器的主要设计目标之一是使其整体弹性模量接近人体松质骨的弹性模量，以减轻骨-植入物界面的应力集中²³^,²⁵。通过增加孔隙率并优化支撑杆的取向和横截面形态，可在保持足够抗压强度和抗疲劳性能的同时显著降低有效弹性模量，从而实现椎体终板上更均匀的载荷分布²⁶。有限元分析和体外实验研究表明，设计良好的多孔钛结构在缓解局部应力集中和降低终板塌陷风险方面，优于实心钛或其他高刚度金属融合器²⁷。此外，内部多孔结构为骨长入提供了空间，有助于形成“骨-金属复合体”式的生物学内固定结构。随着新生骨组织逐渐填充孔隙，融合器-终板系统内的载荷分担预计将从主要依赖植入物转变为“植入物+新骨”共同承载的结构，这可能增强长期的力学稳定性²⁸^,²⁹。

生物学特性与骨整合
从生物学角度来看，多孔钛的表面粗糙度和微结构可能促进成骨细胞及骨髓来源的间充质干细胞的黏附、迁移和成骨分化³⁰^,³¹^,³²多孔网络提供了一种三维支架结构，可引导细胞沿支架表面迁移和增殖，促进细胞外基质沉积和矿化，进而可能形成贯穿 Cage 内外的连续小梁骨结构³³. 体外细胞研究和部分动物模型研究表明，与光滑表面的对照组相比，多孔钛植入物在界面处具有更高的骨-种植体接触率和骨体积分数，提示在实验条件下可增强骨整合³⁴^,³⁵同时，相互连通的孔隙可使内皮细胞侵入植入物内部，促进微血管网络的形成，从而支持新生骨组织的营养供应与代谢活动。³⁶^,³⁷一些研究还报道了多孔钛表面可上调成骨相关细胞因子的表达，进一步支持其增强骨整合的能力³⁸^,³⁹.

腰椎椎间融合术的当前应用
随着制造技术和设计理念的进步，3D打印多孔钛（3D-pTi）椎间融合器在经椎间孔腰椎椎间融合术（TLIF）、侧方腰椎椎间融合术（LLIF）、前路腰椎椎间融合术（ALIF）及其他腰椎融合手术中的应用日益广泛¹⁹^,⁴⁰^,⁴¹。然而，目前可用的临床证据主要来自单中心研究，样本量相对较小，随访时间较短。此外，不同研究在对照材料和手术技术方面存在较大异质性，关于沉降率、再手术率以及节段性矢状面序列改善情况的研究结果仍不一致。

3D-pTi的生物力学与生物学证据

生物力学模拟与体外力学测试
有限元分析和体外力学实验表明，通过调控孔隙率和晶格结构，3D-pTi 椎间融合器可将有效弹性模量降低至接近皮质骨或松质骨的范围，同时保持足够的力学强度，从而有望减轻应力遮挡效应⁴²^,⁴³。Zhang 等人分析了增材制造的多孔腰椎融合器，报道指出，与传统的实心设计相比，多孔结构可同时降低终板应力和融合器自身应力，并改善载荷分布⁴⁴。Zou 等人进一步证明，在多种加载条件下，降低融合器刚度可显著减少终板峰值应力，这可能意味着沉降风险的降低⁴⁵。

最近一项有限元分析（FEA）比较了采用仿生Voronoi晶格结构的多孔钛合金 Cage 与传统 Cage 结构，发现 Voronoi 设计可使节段性活动范围额外减少约50%，并使 Cage/终板应力降低40%–60%，表明适当的三维晶格结构可能在“稳定性”与“应力降低”之间实现更有利的平衡⁴⁶。从材料角度来看，3D打印多孔Ti-6Al-4V合金（Ti6Al4V）的有效弹性模量接近皮质骨，相较于整体钛金属，更能匹配脊柱前柱的生理载荷特性⁴⁷。鉴于3D打印 Cage 在晶格拓扑结构和孔隙率设计方面存在显著差异，定量生物力学结果应在特定结构背景下进行解读。因此，文献中报道的代表性定量生物力学参数汇总于表1，以促进不同3D打印多孔钛合金 Cage 在结构设计特征与力学性能之间的比较²⁶^,⁴⁸^,⁴⁹^,⁵⁰^,⁵¹^,⁵²^,⁵³^,⁵⁴。

大型动物腰椎融合模型
在成熟的绵羊腰椎融合模型中，McGilvray 等人比较了三种类型的椎间融合器——PEEK、等离子喷涂钛和 3D-pTi——分别植入 L2–3 和 L4–5 节段通过采用前路手术，术后随访8–16周。3D-pTi组节段的活动范围显著减小，且骨体积分数和骨-种植体接触率均明显高于PEEK组。在多孔结构内观察到大量新生骨组织和血管长入，而PEEK椎间融合器周围主要为纤维组织包绕。⁴⁹然而，在解读这些结果时，应考虑植入物表面特性的差异以及各组之间缺乏相同的移植物条件。在一项类似的绵羊模型研究中，Laratta 等人直接比较了“无骨移植的3D-pTi”与“结合髂骨自体移植的PEEK”，发现3D-pTi在4周和8周时均表现出更优的骨体积分数和骨结合效果。⁵⁵鉴于移植物补充的不对称性以及早期评估时间点的限制，将这些结果直接归因于椎间笼结构需谨慎对待。

Walsh 等人利用侧方腰椎融合模型进一步报道，3D 打印的钛合金 Cage 可提供稳定的节段刚度和可靠的影像学融合效果，且不损害安全性，支持其在如 LLIF 等手术中的应用⁵⁶。值得注意的是，不同研究之间在手术入路、载荷条件和终点定义方面的差异限制了模型间的严格比较。早期关于多孔生物活性钛的犬类和绵羊研究也表明，孔径约为 300–600 µm 且具有良好连通性的结构可诱导显著的骨长入⁵⁷。这些发现提示，孔隙结构和表面特性可能比增材制造技术本身更关键地决定了生物学整合效果。总体而言，尽管大动物模型支持多孔钛结构在实验条件下增强骨-植入物相互作用的潜力，但动物种类、手术技术、植骨材料使用及结局评估方法的变异性限制了其向临床融合效果的直接外推。

细胞与分子层面的证据
在细胞和分子水平上进行的体外研究有助于阐明3D多孔钛（3D-pTi）良好骨整合性能的生物学基础。3D打印的多孔Ti6Al4V具有粗糙表面和相互连通的三维孔隙网络⁵⁸。与光滑钛或聚醚醚酮（PEEK）相比，该材料能更有效地促进成骨细胞和间充质干细胞的黏附、铺展和增殖，并上调碱性磷酸酶和骨桥蛋白等成骨标志物的表达，从而促进钙盐沉积⁵⁹。进一步的体外实验表明，在具有模拟松质骨结构的晶格设计的3D-pTi支架上，细胞倾向于沿晶格杆状结构排列，表现出明显的应力纤维和矿化带，其成骨分化水平与PEEK对照组相当甚至更优⁶⁰^,⁶¹。动物实验同样显示，多孔钛可实现较高的骨体积分数以及广泛的骨-笼体直接接触³⁷。综上所述，这些研究结果提示，多孔钛可能通过改善力学相容性并为骨形成提供有利的微环境，从而增强骨整合，减少纤维包裹，促进稳定的骨整合。

3D打印多孔钛笼的结构异质性
尽管常被视为单一类型的植入物，3D打印多孔钛笼在结构设计参数上表现出显著的异质性。其孔隙率分布、晶格拓扑结构、孔径大小、表面改性策略以及增材制造技术均存在差异。这些设计差异直接影响弹性模量、载荷传递行为、骨长入潜力以及植入物与终板之间的相互作用。例如，均匀晶格结构主要旨在实现整体模量的降低，而梯度或仿生结构则可能进一步优化应力分布和生物学整合。同样，表面微米或纳米级织构已被证明可独立于主体孔隙特性而增强细胞黏附和骨整合。因此，不同研究中报道的生物力学和临床结果应结合具体笼体设计参数进行解读，而不应将观察到的益处一概归因于所有3D打印多孔钛植入物。

3D-pTi笼的临床性能与应用
不同腰椎融合技术中评估3D打印多孔钛笼安全性和有效性的代表性临床研究总结如下表2为便于对影像学融合结果进行背景化解读，本文还报告了各研究中使用的植骨材料，因其可能对融合生物学产生影响⁶²^,⁶³^,⁶⁴^,⁶⁵^,⁶⁶.

适应证及手术场景
3D-pTi 椎间融合器已应用于多种腰椎椎体间融合技术中，但其临床应用在某些特定场景中报道更为频繁。首先，它们常用于需要强大前柱支撑和较大终板接触面积的侧腰椎椎间融合术（LLIF）和前路腰椎椎间融合术（ALIF）。其次，在既往融合失败或骨质条件较差患者的翻修手术中，常选择此类融合器，旨在促进骨长入，提高融合成功概率。第三，在多节段退行性疾病中也有应用，此时外科医生希望在维持畸形矫正与融合质量平衡的同时，降低椎间隙高度丢失的风险。

融合率与影像学结果
多项比较研究和系统性综述表明，与PEEK或传统实心钛笼相比，3D-pTi笼在腰椎融合率和影像学融合特征方面可能具有优势。Patel等人对七项比较研究进行了系统性综述，涉及体外，动物和人类数据，包括299名人类受试者。其中六项研究在融合或骨-植入物结合质量及与沉降相关的结果方面更倾向于使用3D-pTi而非PEEK，且翻修率未见明显增加⁶⁷这一趋势也在多项前瞻性临床研究中得到证实。

在一项单盲随机对照试验中，研究者比较了3D打印的微纳米结构多孔钛合金 Cage（3DPPT）与PEEK Cage 在单节段至双节段经椎间孔腰椎椎体间融合术（TLIF）中的应用效果。3DPPT 组在术后六个月的早期融合成功率更高，提示其在加快融合速度和提高融合质量方面具有潜在优势¹⁸^,⁶⁸。

对于前路和侧方入路，一项单中心回顾性队列研究报道，在ALIF/LLIF手术中使用3D多孔钛（3D-pTi）融合器，在1年CT随访时实现了接近100%的节段性融合，且未联合使用重组人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）¹⁷。另一项LLIF研究发现，与传统螺纹钛融合器相比，多孔3D打印钛融合器与更高比例的椎体间前部骨桥形成以及更显著的关节突运动限制相关⁶⁹。在一项前瞻性比较研究中，Deng等人报道，与聚醚醚酮（PEEK）融合器相比，3D打印钛融合器表现出更大的骨-植入物界面接触面积、融合区域内的更高骨密度以及更理想的沉降分级，尽管在疼痛评分和功能结局方面的差异无统计学意义⁶⁸。尽管多项研究报道了良好的影像学融合结果，但鉴于研究设计的局限性、植骨材料使用的差异以及影像学评估标准的不同，这些发现应谨慎解读。总体而言，当前的证据基础仍具有异质性，主要来源于相对样本量较小的非随机队列研究。

融合评估中的方法学考量
由于方法学上存在显著异质性，对临床前和临床研究中的融合结果进行直接比较时应谨慎解读。移植物材料、融合 Cage 的尺寸、手术技术以及研究终点的差异可能显著影响所报告的结果，从而难以将融合效果单纯归因于 Cage 的设计¹⁰^,⁷⁰。特别是生物增强策略，包括自体骨移植、同种异体骨移植、脱矿骨基质（DBM）或骨形态发生蛋白（BMPs）的使用，可能独立提高融合率，因此在评估植入物性能时构成重要的混杂因素⁷¹。

此外，融合的影像学评估在技术上仍然具有挑战性。钛植入物相关的金属伪影可能遮蔽 Cage 内骨形成情况的观察，从而可能导致对融合程度的低估。相反，矿化的移植物材料或残留的骨替代材料在影像上可能难以与新形成的骨组织区分，这可能导致对融合率的高估。未来的研究可受益于标准化的影像学检查方案以及补充性评估方法，例如在临床前模型中进行组织学或生物力学评估，以提高融合评估的可靠性和可解释性。

沉降与安全性结果
椎体终板塌陷是影响腰椎融合术长期成功率的关键并发症之一⁷²。对于侧方入路，一项2024年纳入3项研究、共265例患者（总计441个节段）的LLIF系统性综述与荟萃分析显示，3D-pTi组的整体沉降率显著低于PEEK组（比值比[OR] ≈ 0.25），且严重沉降的发生率明显降低（OR ≈ 0.17）⁶⁹。在早期采用3D-pTi融合器的单臂LLIF研究系列中，节段性沉降率约为8%，仅有约1.8%的节段因严重塌陷需再次手术，这一结果似乎优于既往报道的实心钛或PEEK融合器的数据⁷³。

在TLIF手术中，多项队列研究和数据库研究表明，3D多孔钛（3D-pTi）融合器可能降低与假关节形成相关的再手术风险⁷⁴。Levy等报道，在使用3D-pTi融合器进行TLIF手术时，与非多孔PEEK融合器相比，假关节相关再手术率呈下降趋势，尽管绝对差异较小，仍需更长期随访数据加以验证⁴¹。来自美国大型行政管理数据库的真实世界数据显示，在腰椎和腰骶部融合术中比较PEEK与3D打印钛合金融合器，两组在术后3个月和12个月内再手术与翻修的累积发生率均较低（约1%–2%），组间差异无显著性⁴¹。

迄今为止，尚无令人信服的证据表明3D-pTi椎间融合器与新型材料特异性严重并发症相关。尽管影像学伪影仍需考虑，但与传统的实心金属融合器相比，其多孔结构可能在一定程度上减轻影像遮蔽。然而，关于磨损颗粒、金属离子释放以及邻近节段退变的高质量长期数据仍然有限，应成为未来研究的重点。

个体化植入物及当前证据的局限性
除了“即用型”标准尺寸融合器外，增材制造技术还推动了腰椎椎间融合术中个体化植入物（PSIs）的应用探索。在采用个体化3D打印钛合金融合器进行腰椎椎间融合术（LIF）的多中心前瞻性试验中，随访结果显示疼痛程度和Oswestry功能障碍指数（ODI）评分均有显著改善，且融合率令人满意¹⁸^,⁷⁵。系统评价显示，与传统融合技术相比，个体化3D打印钛合金融合器在缓解症状和改善健康相关生活质量方面至少具有非劣效性⁷⁶^,⁷⁷。

然而，目前大多数已有研究采用单臂前瞻性设计，缺乏与标准3D-pTi或PEEK椎间融合器的直接随机对照比较，因此难以明确分离出个体化设计所带来的额外益处。在以退行性腰椎病变为主的患者中，3D-pTi融合器可能在影像学融合表现方面更具优势，并可降低椎体间高度丢失或因假关节形成导致翻修的风险，但尚无明确证据表明其并发症或成本增加。然而，其在长期临床结局和成本效益方面的任何潜在优势，仍有待通过更大规模、长期随访的随机对照试验加以验证。为阐明本综述相对于近期已发表证据整合研究的概念定位与创新性⁷⁸^,⁷⁹^,⁸⁰^,⁸¹，本文在表3中总结了代表性综述的比较情况。

局限性与未来研究方向
证据质量与普遍适用性的局限性
尽管在临床前研究和早期临床研究中报告了令人鼓舞的结果，但支持3D打印多孔钛（3D-pTi）椎间融合器的总体证据水平仍然有限。大多数临床研究为单中心、回顾性研究或小样本的前瞻性队列研究，随访时间通常为6–24个月；仅有少数研究为前瞻性试验或系统综述⁶⁵。此外，不同研究之间在手术入路（TLIF/LLIF/ALIF）、融合节段数量、是否存在脊椎滑脱或畸形、是否使用自体骨移植或骨形态发生蛋白，以及融合器特定结构参数等方面存在显著异质性。

终点指标同样缺乏一致性：一些研究采用基于CT的Brantigan-Steffee融合分级或椎体间骨性桥接作为主要结局指标，而其他研究则更强调沉降分级或再手术率。即使是“沉降”的定义和分级标准也尚未统一。因此，目前可用的数据更适合识别信号层面的趋势，而非建立可靠的因果推论。从影像学角度来看，钛植入物相关的金属伪影在脊柱影像学中已被充分认识，可能干扰CT成像中对骨形成情况的精确评估⁵⁶。束硬化和散射效应可能遮蔽骨-植入物界面，尤其是在多孔结构内部。在大型动物模型中，多孔钛结构在影像上可能呈现高密度影，难以区分新形成的骨组织与植入物晶格结构。相反，残留的移植物材料或矿化骨替代物也可能难以与真正的骨性桥接相区分。

这些与影像学相关的因素在放射学融合评估中引入了不确定性，可能导致对实际融合状态的低估或高估。综合来看，这些因素提示我们，在考虑影像学局限性以及研究设计的变异性时，对于所报道的3D-pTi椎间融合器的放射学优势应持谨慎态度。

缺乏统一的“最优”材料与结构设计
从材料与结构工程的角度来看，3D多孔钛（3D-pTi）的关键优势在于可通过调节孔隙率、孔径大小和晶格拓扑结构，实现“可定制”的弹性模量和促进骨长入的通道。然而，目前尚无共识确定何种孔隙率范围（例如50%–80%）、孔径大小（例如300–600 µm）或晶格类型（例如Voronoi、八面体桁架）最适合腰椎终板的载荷环境与骨质条件。尤为重要的是，目前仍不确定是否存在一种普适的“最优”支架设计，还是在不同临床条件下，多种结构构型均可实现足够的力学稳定性与生物学整合。近期的力学测试表明，具有约70%孔隙率并具备解剖适配外形的优化3D-Ti融合器可显著增强抗沉降能力²⁶。然而，此类发现应被视为特定模型的结果，而非具有普遍适用性。

与此同时，尽管更疏松的结构可增强骨长入潜力，但也引发了对疲劳强度和长期耐久性的担忧。过高的孔隙率可能损害抗疲劳性能，增加微裂纹形成和结构失效的风险；而孔隙率过低则可能不利于骨长入和载荷分担。目前大多数研究均在骨质量相对完好的健康动物模型或患者中开展，尚缺乏系统性数据来确定对于患有骨质疏松症、代谢性骨病或长期使用糖皮质激素的老年患者，是否应针对个体情况调整3D-Ti的结构设计。未来的研究或可着眼于为特定的生物力学和生物学环境定义“适宜的设计范围”，而非寻求一种普遍最优的支架结构。

经济、监管和实施方面的挑战
与传统的标准化器械相比，脊柱植入物的增材制造通常与更高的生产成本和技术复杂性相关。患者特异性3D打印植入物还带来了与监管审批路径、质量控制要求以及上市后监测责任相关的额外考量。目前，专门评估3D多孔钛（3D-pTi）椎间融合 Cage 在腰椎融合术中成本效果或成本效用的正式卫生经济学评价仍然有限。现有的真实世界数据表明，短期住院费用和围手术期资源使用情况与传统植入物大致相当；然而，仍缺乏有力的长期经济学分析。此外，针对3D打印脊柱植入物的医保报销政策和指南推荐尚未在不同医疗体系间实现标准化。综上所述，这些因素凸显了在全面评估更广泛临床应用之前，亟需建立更明确的经济评估体系和监管框架。

未来研究与临床转化的重点领域
尽管临床前研究和早期临床研究提示3D打印多孔钛笼可能具有优势，但目前的证据基础在长期随访方面仍存在异质性且较为有限。未来的研究若能对结构设计参数和结局定义进行更加标准化的报告，将有助于提高不同研究之间的可比性。此外，还需要更长期的临床数据以及设计合理的对照研究，以明确其耐久性、沉降行为及功能学结局。新兴技术包括患者特异性植入物设计策略和数据驱动的建模方法，目前仍处于探索阶段，在考虑常规临床应用之前，尚需进一步验证。

结论

3D打印多孔钛椎间融合 Cage 是腰椎融合手术中的一项新兴技术进展，已在临床前和早期临床研究中得到探索。现有证据表明，在特定条件下，其晶格结构可能有助于实现力学相容性以及骨-植入物相互作用。然而，与传统钛合金、传统聚醚醚酮（PEEK）以及增材制造PEEK Cage 相比，目前的相关数据仍有限且存在异质性，尚无法对它们的相对临床疗效得出明确结论。长期耐久性、成本效益以及标准化结局评估仍需进一步研究。目前，3D打印多孔钛 Cage 应被视为多种可用椎间植入技术中的一种选择，其确切的临床定位有待未来高质量的比较研究加以明确。

钛植入物示意图：显示孔隙率控制、弹性模量匹配、骨整合。
图1：3D打印多孔钛椎间融合器的设计原理。可控的孔隙率和晶格结构可调节弹性模量接近松质骨水平，促进更符合生理状态的载荷传递，并可能减少应力遮挡。相互连通的多孔网络可能支持骨长入和血管化，有助于改善骨整合和植入物的长期稳定性，同时可能降低融合器沉降的风险。请点击此处查看该图的放大版本。

标题	研究	年份	研究类型	模型	主要发现
Guyer et al. (48)	2016	生物力学动物研究	猪模型	多孔钛支架 vs PEEK vs 同种异体骨移植	多孔钛支架表现出显著更强的骨-植入物界面结合力和更优的骨整合效果。
McGilvray et al. (49)	2018	比较性动物研究	绵羊腰椎融合模型（羊）	PEEK Cage；等离子喷涂多孔钛涂层PEEK（PSP）；3D打印多孔钛合金 Cage（PTA）	与PEEK和PSP Cage相比，3D打印多孔钛合金 Cage表现出显著更高的骨长入量、更低的活动范围以及更高的结构刚度，表明其具有更优的骨整合能力和融合潜力。
Carpenter et al. (50)	2018	有限元分析	基于微CT植入物几何结构建立的计算有限元模型	多孔PEEK vs 多孔3D打印钛（Ti）植入结构	与多孔钛相比，多孔PEEK显著提高了与长入骨之间的载荷分担（例如，在压缩载荷下4周时约为66% vs 约13%的载荷传递），并在邻近骨组织中产生更高的生理应变，提示其可提供更有利于骨维持和骨整合的力学环境。
Zhang et al. (51)	2020	对照动物实验	恒河猴腰椎椎间融合模型（OLIF）	3D打印多孔Ti6Al4V Cage；填充辛伐他汀/泊洛沙姆407水凝胶的Cage vs 仅含水凝胶的Cage vs 空白Cage	在多孔钛Cage中使用负载辛伐他汀的水凝胶显著增加了骨长入、成骨细胞活性（PET/CT SUV）、骨体积分数，并降低了活动范围，表明其可改善脊柱融合效果和力学稳定性。
Yee-Yanagishita et al. (52)	2022	体外生物力学机械测试	模拟椎体终板的聚氨酯泡沫块模型	多孔钛Cage（主体晶格+微孔终板）；多孔PEEK Cage；桁架式钛Cage	与多孔PEEK和桁架式钛Cage相比，多孔钛Cage表现出最佳的抗沉降性能，具有最高的块体刚度和最低的动态沉降位移，表明Cage设计在防止沉降方面比材料本身更为重要。
Fogel et al. (26)	2022	比较性临床前研究（体外力学测试 + 体内动物研究）	聚氨酯泡沫块沉降模型（ASTM F2267）和绵羊腰椎椎间融合模型	3D打印多孔Ti-6Al-4V Cage，具有应力优化的主体晶格和微孔终板（Modulus XLIF）	多孔钛Cage设计降低了植入物刚度，表现出高抗沉降能力（块体刚度≈1976.8 N/mm），并在绵羊模型中显示出渐进性骨长入和融合，在12周时融合率为87.5%，26周时达到100%。
Xu et al. (53)	2022	体外 + 体内动物实验	MC3T3-E1成骨细胞培养和兔股骨缺损模型	3D打印多孔Ti6Al4V支架，具有中空六角棱柱 vs 中空三角棱柱孔结构	与三角棱柱结构相比，六角棱柱多孔钛支架表现出更强的细胞黏附、更高的碱性磷酸酶（ALP）活性，以及更优的骨整合和新骨形成能力。
Johnson et al. (54)	2023	结合生物力学、μCT和组织形态计量学分析的临床前动物研究	绵羊腰椎椎间融合模型（6只羊；L2–L3和L4–L5）	增材制造多孔Ti6Al4V晶格Cage：主体晶格 vs 主体+表面晶格设计	两种3D打印多孔钛Cage设计均实现了良好的融合结果；主体晶格Cage的骨接触率显著高于表面晶格Cage，且整体融合表现优于既往报道的PEEK Cage。

表1：关于用于腰椎椎间融合的3D打印多孔钛合金 Cage 的代表性生物力学与生物学研究总结。本表总结了若干代表性实验研究，这些研究探讨了用于腰椎融合研究的多孔或3D打印钛合金椎间融合 Cage 的生物力学与生物学性能。所纳入的研究包括有限元分析、体外力学测试、细胞实验以及临床前动物融合模型。报告的结果包括植入物刚度、抗沉降能力、骨-植入物接触率、骨长入程度以及与融合相关的生物力学稳定性。总体而言，这些研究提供了机制性证据，支持多孔钛结构在优化载荷分布、减少应力遮蔽以及促进骨整合方面的潜在优势。请点击此处下载该表格。

研究	年份	手术入路	研究设计	样本量	随访时间	影像学结果	对照组
Adl Amini D. et al (62)	2021	LLIF	回顾性比较研究	113例患者（186个节段）	6–12个月	严重沉降：3.0%（Ti）vs 18.5%（PEEK）	3D打印Ti vs PEEK
Corso KA. et al (63)	2022	ALIF / PLIF	回顾性描述性队列研究	每组93例患者	6个月	翻修率：0%（Ti）vs 0.5%（PEEK）	3D打印Ti vs PEEK
Alan N. et al (64)	2023	LLIF	采用倾向性评分匹配的回顾性队列研究	97 vs 97个节段	12个月	沉降率：27% vs 8%	pTi vs PEEK
Segi N. et al (65)	2023	XLIF	回顾性比较研究	32例患者	3个月	VEC：8% vs 45%	3D打印Ti vs PEEK
Donaldson C. et al (66)	2024	ALIF / LLIF	回顾性队列研究	50例患者（66个节段）	12个月	沉降率 3.03%	无（单臂研究）

表2：评估3D打印多孔钛合金融合器在腰椎椎间融合术中安全性和有效性的关键临床研究。本表总结了代表性临床研究，这些研究探讨了多孔或3D打印钛合金椎间融合器在腰椎椎间融合手术中的影像学和临床结果，包括侧方腰椎椎间融合术（LLIF）、前路腰椎椎间融合术（ALIF）、后路腰椎椎间融合术（PLIF）以及极外侧腰椎椎间融合术（XLIF）。表格中列出了研究设计、样本量、随访时间以及主要影像学结果，如融合器沉降、椎体终板囊肿形成和翻修率。本表纳入了比较性研究（多孔钛合金融合器 vs. PEEK融合器）和单组临床系列研究，以全面概述当前关于植入物稳定性和短期安全性的临床证据。请点击此处下载该表格。

编号	作者	年份	综述类型	综述重点	生物力学	临床结局	设计/制造	概念框架
1	Duan Y (78)	2024	系统性综述与荟萃分析	3D打印钛合金与PEEK融合器的临床比较	否	是	有限	否
2	Pairojboriboon S (79)	2024	网状荟萃分析	不同融合器材料间的融合效果比较	否	是	有限	否
3	Lee JJ (80)	2025	叙述性综述	钛合金融合器及3D打印技术的历史演变	有限	有限	是	否
4	本综述	/	叙述性整合综述	3D打印多孔钛合金融合器的设计原理、生物力学性能、骨整合及临床结局的机制性综合分析	是	是	是	是

表3：近期关于3D打印钛合金椎间融合器的综述与本综述范围的比较。本表格从综述类型、主要研究重点和主题覆盖范围等方面，将近期具有代表性的关于3D打印钛合金椎间融合器的综述与本综述进行比较。评估的关键方面包括：综述是否涉及生物力学机制、临床结果、植入物设计和增材制造原理，以及是否包含整合工程与临床视角的更广泛概念框架。该比较突显了本综述扩展后的涵盖范围，即整合生物力学、生物学、设计和临床证据，以提供更为全面的概念性综合。请点击此处下载该表格。

披露

所有作者声明，本研究的设计、分析或发表不存在任何利益冲突。本稿件未涉及任何财务关系、顾问职务、专利申请或其他竞争性利益。概念化：Peng Sun 和 Kai Su；文献调研：Kai Su；撰写——初稿：Kai Su；撰写——审阅与修改：Peng Sun；监督：Peng Sun。

致谢

作者们衷心感谢在文献检索、数据整理和学术讨论中提供支持的同事们。我们还感谢所在机构提供了良好的科研环境和行政支持，使本研究得以顺利开展。本手稿的语言润色和编辑使用了生成式人工智能工具。作者对本研究内容及其解释承担全部责任。

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