Artykuł przeglądowy

Klatki tytanowe drukowane 3D w fuzji międzyciałowej lędźwiowej

402 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/70575

⸱

30 kwietnia 2026

 , 
1Department of Spinal Surgery, Zibo First Hospital

W tym artykule

Podsumowanie

Niniejszy przegląd syntetyzuje aktualne dowody dotyczące 3D drukowanych porowatych tytanowych klatek w fuzji międzyciałowej lędźwiowej, integrując zasady projektowania materiałów, parametry biomechaniczne oraz wyniki kliniczne. Biorąc pod uwagę rosnące przyjęcie kliniczne i heterogeniczne raportowanie, krytyczna ocena istniejących danych jest terminowa i klinicznie istotna.

Streszczenie

Choroba zwyrodnieniowa lędźwiowa jest jednym z najczęstszych wskazaniów do operacji kręgosłupa, a fuzja międzyciałowa lędźwiowa (LIF) pozostaje kluczową techniką w jej leczeniu. Wydajność klatki fuzyjnej międzyciałowej w dużej mierze zależy od jej składu materiałowego i konstrukcji konstrukcyjnej, które wpływają na stabilność segmentów oraz jakość fuzji kostnej. Niniejszy przegląd podsumowuje cechy materiału, uzasadnienie biomechaniczne, zachowanie biologiczne oraz zastosowania kliniczne trójwymiarowych klatki z porowatego tytanu (3D-pTi). Postępy w produkcji addytywnej umożliwiają precyzyjną kontrolę wielkości porów, porowatości i architektury kratowniczej, pozwalając na dostrojenie modułu sprężystości klatki 3D-pTi do bliższego zbliżenia do kości gębczastej. Te optymalizacje mogą poprawić przenoszenie obciążenia, zmniejszyć ochronę przed naprężeniami oraz sprzyjać sprzyjającym warunkom dla osseointegracji. Połączona ze sobą porowata struktura i szorstkowata powierzchnia wspierają zlepki osteoblastów, wrost kości oraz wczesną unaczynienie. Badania przedkliniczne konsekwentnie pokazują, że klatki 3D-pTi zapewniają wyższy kontakt kości–implant oraz większą objętość kości w porównaniu z implantami z tytanem i polietereterketonem (PEEK). Wczesne badania kliniczne dotyczące zespolenia międzyciałowego przez część lędźwiowy (TLIF), bocznego zespolenia lędźwiowego (LLIF) oraz przedniego zespolenia lędźwiowego (ALIF) sugerują, że klatki 3D-pTi mogą osiągać wysokie wskaźniki zespolenia radiologicznego, utrzymywać wysokość międzykręgowego oraz wykazywać akceptowalny profil bezpieczeństwa w krótkim terminie. Jednak istniejące badania są ograniczone przez małe rozmiary prób, heterogeniczność metodologiczną oraz stosunkowo krótkie okresy obserwacji. Ogólnie rzecz biorąc, klatki 3D-pTi stanowią obiecującą biomechanicznie kompatybilną i osteoprzewodzącą opcję dla LIF w warunkach zwyrodnieniowych. Niemniej jednak ich długoterminowe korzyści kliniczne, opłacalność i optymalne wskazania wymagają dalszych badań w rygorystycznie zaprojektowanych badaniach.

Wprowadzenie

Wraz ze starzeniem się populacji i zmianami stylu życia, choroby zwyrodnieniowe lędźwi, takie jak zwyrodnieniowa choroba dysku, stenoza kręgosłupa lędźwiowego oraz zwyrodnieniowa spondylolisteza, stały się jednymi z najczęstszych schorzeń spotykanych w praktyce chirurgii kręgosłupa 1,2,3. Dla pacjentów z rentgenologicznie widoczną niestabilnością segmentową, znaczną kompresją nerwową lub niepowodzeniem zachowawczego leczenia, zespolenie lędźwiowe międzyciałowe (LIF) jest ważną opcją chirurgiczną w celu przywrócenia stabilności kręgosłupa, skorygowania deformacji oraz łagodzenia kompresji nerwowej4. Powszechnie stosowane techniki LIF obejmują transforaminalną fuzję lędźwiową międzyciałową (TLIF), tylną fuzję lędźwiową (PLIF), przednią fuzję lędźwiową (ALIF) oraz boczną fuzję lędźwiową międzyciałową (LLIF)5,6,7,8. Niezależnie od podejścia, osiągnięcie niezawodnej i trwałej fuzji międzyciałowej pozostaje kluczowym czynnikiem decydującym o wynikach klinicznych.

W procedurach fuzji lędźwiowej materiał, rozmiar, konstrukcja konstrukcyjna oraz kąt ustawienia klatki międzykorpusowej wpływają na stabilność segmentową, rozkład naprężeń na płytach końcowych, a ostateczniejakość zespolenia 9,10,11,12,13. Wczesna praktyka kliniczna opierała się w dużej mierze na autologicznym przeszczepie kości lub przeszczepie kości biodrowej lub allotransplantcie dla wsparcia międzyciałowego; Jednak te podejścia wiążą się z zachorowalnością na miejscu dawcy, wyższym wskaźnikiem powikłań, ograniczoną wytrzymałością strukturalną oraz znacznym ryzykiem zapadnięcia się przeszczepu. Późniejsze zastosowanie klatek z litego tytanu zapewniło wysoką wytrzymałość mechaniczną i stabilność konstrukcyjną, pomagając utrzymać wysokość dysku podczas procedur fuzji14. Jednak moduł sprężystości stałego tytanu znacznie przewyższa moduł kości gąblastej, który wiąże się z osłoną naprężeniową i może przyczyniać się do osiadania płyty końcowej w określonych warunkach15. Klatki z polietereterketonu (PEEK), o module sprężystym bliższym kości korowej i radiolucencji na obrazowaniu, zyskały więc szerokie zastosowanie. Jednak PEEK jest ogólnie uważany za biologicznie obojętny i wykazuje ograniczoną zdolność wewnętrzną do wspierania różnicowania osteogennego ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych. Natomiast wykazano, że stopy tytanu zwiększają przyczepność komórek, aktywność fosfatazy alkalicznych oraz depozycję wapnia in vitro16. Aby rozwiązać te ograniczenia, wprowadzono nowsze implanty, takie jak klatki PEEK pokryte tytanem, klatki rozszerzalne oraz implanty PEEK produkowane addytywnie lub porowate, mające na celu poprawę łączenia interfejsu kość–implant przy jednoczesnym zachowaniu korzystnych właściwości mechanicznych. Porównawcze dowody dotyczące konwencjonalnych klatek PEEK, PEEK produkowanych addytywnie oraz tytanowych klatek drukowanych 3D nadal się rozwijają, a nie stwierdzono powszechnie akceptowanego "idealnego" materiału na klatkę międzykaroseriową.

W ostatnich latach trójwymiarowe, porowate klatki tytanowe (3D drukowane porowate tytanowe, 3D-pTi) stały się głównym obszarem badań nad fuzją lędźwiową. Wstępne badania kliniczne wykazały zachęcające wzorce zespolenia radiologicznego oraz akceptowalne wyniki kliniczne zarówno w przednich, jak i bocznych procedurach zespolenia międzyciałowego lędźwiowego 17,18,19,20. Niemniej jednak, ich porównawcze wyniki w porównaniu do konwencjonalnych i addytywnie produkowanych klatek PEEK, szczególnie pod względem ryzyka osadzenia, wskaźników reoperacji oraz wyników w różnych technikach chirurgicznych i podgrupach pacjentów, pozostają obecnie badane. Istniejące badania często ograniczają małe liczebności prób, heterogeniczność metodologiczną oraz stosunkowo krótkie okresy obserwacji. Chociaż kilka ostatnich przeglądów systematycznych i metaanaliz podsumowało wyniki kliniczne związane z klatkami tytanowymi drukowanymi w 3D, większość z nich koncentrowała się głównie na porównawczych punktach końcowych radiograficznych lub klinicznych, traktując te implanty głównie jako alternatywne materiały klatkowe, a nie produkty technologicznej napędzanej projektowaniem. Rosnące dowody sugerują, że wydajność kliniczna klatek 3D-pTi może być zależna od takich czynników jak architektura sieci, dopasowanie modułu sprężystości, mechanizmy biologicznej osseointegracji oraz optymalizacja strukturalna specyficzna dla pacjenta — elementy, które pozostają niewystarczająco zintegrowane w wcześniejszych syntezach.

Dlatego potrzebne jest bardziej kompleksowe zrozumienie mechanicznych i biologicznych cech klatek 3D-pTi, a także ich interakcji z technikami chirurgicznymi i strategiami biologicznej augmentacji, aby lepiej informować kliniczne decyzje w chorobach zwyrodnieniowych lędźwi. Na tej podstawie obecny przegląd narracyjny stanowi zintegrowaną syntezę aktualnej wiedzy, obejmującą rozwój materiałów, mechanizmy biomechaniczne i biologiczne, dowody kliniczne oraz nowe perspektywy translacyjne, w tym projektowanie implantów specyficzne dla pacjenta oraz strategie optymalizacji oparte na danych. Łącząc postępy inżynieryjne z rozważaniami klinicznymi, niniejszy przegląd ma na celu zapewnienie zrównoważonych i klinicznie istotnych ram, które wykraczają poza wcześniej opublikowane przeglądy skoncentrowane na wynikach.

Przegląd i perspektywa

Strategia wyszukiwania literatury
Ten przegląd narracyjny został przeprowadzony przy użyciu uporządkowanego wyszukiwania literatury, aby zapewnić kompleksowe objęcie istotnych dowodów. Przeszukano elektroniczne bazy danych, w tym PubMed, Web of Science, Embase i Scopus, pod kątem badań opublikowanych między styczniem 2010 a grudniem 2025. Strategia wyszukiwania obejmowała kombinacje następujących słów kluczowych: "klatka tytanowa wydrukowana 3D", "porowaty tytan", "fuzja międzyciałowa lędźwiowa", "fuzja kręgosłupa", "produkcja addytywna" oraz "osseointegracja". Rozważano oryginalne badania kliniczne, badania biomechaniczne, eksperymenty na zwierzętach oraz odpowiednie artykuły przeglądowe skupiające się na fuzji międzyciałowej lędźwiowej z wykorzystaniem 3D wydrukowanych porowatych implantów tytanowych. Nie uwzględniono badań związanych z zastosowaniami kręgosłupa, publikacje nieanglojęzyczne, streszczenia konferencji bez pełnych danych oraz duplikaty raportów. Artykuły były wybierane na podstawie ich znaczenia dla cech biomechanicznych, wydajności biologicznej, wyników klinicznych oraz perspektyw translacyjnych porowatych tytanowych klatek drukowanych w 3D.

Konstrukcja i charakterystyka klatek 3D-pTi

Koncepcja projektowa i procesy produkcyjne
Elastyczność strukturalna klatek 3D-pTi jest możliwa dzięki technologiom produkcji addytywnej (AM), a nie jest wrodzona samemu tytanowi. AM został również stosowany w innych biomateriałach, w tym PEEK oraz stopach kobaltu i chromu, umożliwiając geometryczną personalizację na etapie projektowania. Stosując techniki takie jak selektywne topienie laserowe (SLM) czy topienie wiązki elektronów (EBM), podczas komputerowego wspomagania projektowania21,22 można zdefiniować zarówno makroskopową geometrię klatki, jak i mikroskopijną architekturę kratowniczą. Poprzez dostosowanie parametrów druku i zastosowanie algorytmów projektowania topologii można modulować wytrzymałość strukturalną i moduł sprężystości, zachowując jednocześnie kanały dla wrostu kości23,24. Chociaż SLM i EBM różnią się cechami przetwarzania, obecne dowody nie przemawiają jednoznacznie za jedną z tych technik w zastosowaniach międzyciałowych kręgosłupa. Podstawowe zasady projektowania leżące u podstaw 3D wydrukowanych w 3D porowatych, tytanowych klatek międzykaroseriowych zostały zilustrowane na Rysunku 1.

Charakterystyka biomechaniczna
Z perspektywy biomechanicznej jednym z głównych celów projektowych klatek 3D-pTi jest przybliżenie całkowitego modułu sprężystości do modułu ludzkiej kośći grzycowej, z celem ograniczenia stężenia naprężeń na styku kość–implant23,25. Poprzez zwiększenie porowatości oraz optymalizację orientacji i morfologii przekroju poprzecznego wsporników nośnych, efektywny moduł sprężystości można znacznie obniżyć przy zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości na ściskanie i wytrzymałości zmęczeniowej, co skutkuje bardziej jednorodnym rozkładem obciążeń na końcu kręgosłupa26. Analizy elementów skończonych oraz badania eksperymentalne in vitro wykazały, że dobrze zaprojektowane struktury porowate tytanu są skuteczniejsze niż metaliczne klatki o stałym tytanu lub innych wysokosztywnych klatkach w tłumieniu lokalnych naprężeń i zmniejszaniu ryzyka zapadania się płyty końcowej27. Ponadto wewnętrzna porowata sieć zapewnia przestrzeń na wrastanie kości oraz powstanie biologicznej konstrukcji wewnętrznej fiksacji "kompozytu kościowo-metalowego". W miarę jak nowo powstała kość stopniowo wypełnia pory, oczekuje się, że podział obciążenia w systemie klatka–płyta końcowa przejdzie z dominującej zależności od implantu na połączony model "implant + nowa kość", co może poprawić długoterminową stabilność mechaniczną28,29.

Charakterystyka biologiczna i osseointegracja
Biologicznie szorstkość powierzchni i mikroarchitektura porowatego tytanu mogą sprzyjać adhezji, migracji oraz zróżnicowaniu osteogenowemu osteoblastów oraz komórek macierzystych pochodzących ze szpiku kostnego mezenchymalnych 30,31,32. Porowata sieć stanowi trójwymiarowe rusztowanie, które może prowadzić komórki do migracji i proliferacji wzdłuż powierzchni wsporników, ułatwiając osadzanie i mineralizację macierzy zewnątrzkomórkowej oraz potencjalnie prowadząc do ciągłej kości trabekularnej przechodzącej przez wnętrze i zewnętrze klatki33. Badania in vitro oraz wybrane modele zwierzęce wykazały wyższy udział kontaktu kości–implant oraz większą frakcję objętości kości na styku dla porowatych implantów tytanowych w porównaniu z kontrolą gładkiej powierzchni, co sugeruje zwiększoną osseointegrację w warunkach eksperymentalnych34,35. Jednocześnie połączone pory pozwalają komórkom śródbłonka przeniknąć do wnętrza implantu, wspierając tworzenie sieci mikronaczyniowej i tym samym wspierając odżywianie oraz metabolizm nowo powstałej kości36,37. Niektóre badania odnotowały również wzrost aktywności cytokin sprzyjających osteogenezie na porowatych powierzchniach tytanowych, co dodatkowo wspiera jego zdolność do poprawy integracji kości38,39.

Obecne zastosowania w fuzji międzyciałowej lędźwiowej
Dzięki postępowi w technikach produkcyjnych i koncepcjach konstrukcyjnych, klatki międzykaroseriowe 3D-pTi są coraz częściej stosowane w TLIF, LLIF, ALIF oraz innych procedurach fuzji lędźwiowej 19,40,41. Jednak obecnie dostępne dowody kliniczne pochodzą głównie z badań jednocentrowych o stosunkowo małych próbach i krótkich okresach obserwacji. Ponadto występuje znaczna heterogeniczność materiałów komparatorów i technik chirurgicznych, a wyniki dotyczące tempa osiadania sięgającego, częstości reoperacji oraz poprawy segmentalnego ustawienia strzałku pozostają niespójne w różnych badaniach.

Dowody biomechaniczne i biologiczne dla 3D-pTi

Symulacje biomechaniczne i testy mechaniczne in vitro
Analizy elementów skończonych oraz testy mechaniczne in vitro sugerują, że klatki 3D-pTi, poprzez dostosowanie porowatości i architektury kratowniczej, mogą zmniejszyć efektywny moduł sprężystości do zakresu bliższego kości korowej lub gniebkowej, zachowując przy tym wystarczającą wytrzymałość mechaniczną, co potencjalnie zmniejsza ochronę przed przeciążeniami 42,43. Zhang i in. przeanalizowali addytywnie produkowane porowate klatki lędźwiowe i stwierdzili, że w porównaniu z konwencjonalnymi konstrukcjami stałymi, porowate konfiguracje zmniejszały zarówno naprężenia na płytach końcowych, jak i naprężenia klatkowe, poprawiając rozkład obciążenia44. Zou i in. wykazali ponadto, że obniżenie sztywności klatki znacząco zmniejsza szczytowe naprężenia płyty końcowej przy różnych warunkach obciążenia, co może przekładać się na zmniejszenie ryzyka osiadania45.

Niedawna analiza elementów skończonych (FEA) porównująca porowate klatki tytanowe z biomimetyczną siecią Voronoi z tradycyjnymi strukturami klatkowymi wykazała, że projekt Voronoi może zapewnić dodatkowe zmniejszenie zakresu ruchu segmentowego o około 50% oraz naprężeń klatkowych/płyt końcowych o 40%–60%, co sugeruje, że odpowiednia trójwymiarowa architektura sieci może osiągnąć korzystniejszy balans między "stabilnością" a "redukcją naprężeń"46. Z punktu widzenia materiałowego efektywny moduł sprężystości porowatego stopu Ti-6Al-4V drukowanego 3D (Ti6Al4V) zbliża się do kości korowej i lepiej odpowiada parametrom obciążenia fizjologicznego przedniego rdzenia kręgowego niż tytan47 objętościowy. Biorąc pod uwagę znaczną zmienność topologii sieci i projektowania porowatości między klatkami drukowanymi w 3D, ilościowe wyniki biomechaniczne powinny być interpretowane w określonych kontekstach strukturalnych. W związku z tym reprezentatywne ilościowe parametry biomechaniczne opisane w literaturze są podsumowane w Tabeli 1, aby ułatwić porównanie cech konstrukcyjnych i wydajności mechanicznej w różnych 3D drukowanych porowatych tytanowych klatek 26,48,49,50,51,52,53,54.

Modele fuzji lędźwiowej dużych zwierząt
W dojrzałym modelu zespolenia lędźwiowego owiec McGilvray i in. porównali trzy typy klatek — PEEK, plazmowo natryskiwany tytanem oraz 3D-pTi — wszczepianych w L2–3 i L4–5 metodą przedniejszą, z obserwacją w wieku 8–16 tygodni. Segmenty w grupie 3D-pTi wykazywały istotnie ograniczony zakres ruchu, a zarówno frakcja objętości kości, jak i kontakt kość–implant były wyraźnie wyższe niż w grupie PEEK. W strukturze porowatej zaobserwowano rozległe nowe narastki kości i naczyń, podczas gdy klatki PEEK były głównie otoczone tkanką włóknistą49. Jednak przy interpretacji tych wyników należy uwzględnić różnice w cechach powierzchni implantu oraz brak identycznych warunków przeszczepu między grupami. W podobnym modelu owiec Laratta i in. bezpośrednio porównali "3D-pTi bez przeszczepu kości" z "PEEK połączonym z autograftem grzebienia biodrowego" i stwierdzili, że 3D-pTi osiągnęło lepszą frakcję objętości kości i wiązanie kostne po 4 i 8 tygodniach55 roku. Biorąc pod uwagę asymetrię suplementacji przeszczepów i wczesną ocenę, bezpośrednie przypisywanie tych wyników wyłącznie strukturze klatki wymaga ostrożności.

Korzystając z modelu zespolenia bocznego lędźwiowego, Walsh i in. dodatkowo stwierdzili, że klatki tytanowe drukowane 3D zapewniają stabilną sztywność segmentalną i niezawodne zrośnięcie radiograficzne bez kompromisów w bezpieczeństwie, co wspiera ich zastosowanie w procedurach takich jak LLIF56. Warto zauważyć, że różnice w podejściu chirurgicznym, warunkach obciążenia i definicjach punktów końcowych w różnych badaniach ograniczają ścisłe porównania z modelami. Wcześniejsze badania porowatego bioaktywnego tytanu u psów i owiec wykazały również, że pory o wielkości około 300–600 μm przy dobrej łączności mogą wywołać silne narastanie kości57. Te wyniki sugerują, że architektura porów i właściwości powierzchni, a nie sama produkcja addytywna, mogą być głównymi determinantami integracji biologicznej. Łącznie, choć modele dużych zwierząt wspierają potencjał porowatych konstruktów tytanowych do poprawy interakcji kości–implant w warunkach eksperymentalnych, zmienność gatunków zwierząt, techniki chirurgicznej, użycia przeszczepów oraz metod oceny wyników ograniczają bezpośrednią ekstrapolację do wydajności klinicznej fuzji.

Dowody komórkowe i molekularne
Badania in vitro na poziomie komórkowym i molekularnym pomogły wyjaśnić biologiczne podstawy korzystnej osseointegracji 3D-pTi. Drukowany 3D porowaty Ti6Al4V wykazuje chropowatą powierzchnię oraz połączoną trójwymiarową sieć porów58. W porównaniu z gładkim tytanem lub PEEK, wykazano, że ten materiał skuteczniej wspiera adhezję, rozprzestrzenianie się i proliferację osteoblastów oraz komórek macierzystych mezenchymalnych oraz zwiększa aktywność markerów osteogenowych, takich jak fosfataza alkaliczna i osteopontyna, co sprzyja depozycjiwapnia 59. Eksperymenty in vitro wykazują również, że na rusztowaniach 3D-pTi z konstrukcjami krat naśladującymi kość trabekularną, komórki mają tendencję do wyrównywania wzdłuż wsporników kratownicowych, z wyraźnymi włóknami naprężeniowymi i pasmami mineralizacji, a poziom różnicowania osteogenicznego jest porównywalny lub nawet lepszy niż obserwowany u kontroli PEEK 60,61. Badania na zwierzętach również pokazują, że porowaty tytan może osiągnąć dużą objętość kości i intensywny bezpośredni kontakt kości–klatka37. Łącznie te wyniki sugerują, że porowaty tytan może wspierać integrację kostną poprzez połączenie lepszej kompatybilności mechanicznej i sprzyjającego mikrośrodowiska dla tworzenia kości, potencjalnie zmniejszając otoczkowanie włóknistą i sprzyjając stabilnej integracji kości.

Heterogeniczność konstrukcyjna porowatych klatek tytanowych drukowanych w 3D
Pomimo że często omawiane są jako kategoria jednego implantu, porowate klatki tytanowe drukowane w 3D wykazują znaczną heterogeniczność parametrów konstrukcyjnych. Występują różnice w rozkładzie porowatości, topologii sieci, wielkości porów, strategiach modyfikacji powierzchni oraz technikach produkcji addytywnej. Te różnice konstrukcyjne bezpośrednio wpływają na moduł sprężystości, zachowanie przenoszenia obciążenia, potencjał wrostu kości oraz interakcje implant–płytka końcowa. Na przykład struktury jednorodne sieci mają przede wszystkim na celu osiągnięcie globalnej redukcji modułu, podczas gdy architektury gradientowe lub biomimetyczne mogą dodatkowo optymalizować rozkład naprężeń i integrację biologiczną. Podobnie, mikro- lub nano-teksturowanie powierzchni wykazano, że zwiększa przyczepność komórek i osseointegrację niezależnie od charakteru porowatości objętościowej. Dlatego wyniki biomechaniczne i kliniczne zgłaszane w różnych badaniach powinny być interpretowane w kontekście konkretnych parametrów projektowania klatki, a nie przypisywania zaobserwowanych korzyści w sposób jednolity wszystkim 3D drukowanym porowatymi implantami tytanowymi.

Wydajność kliniczna i zastosowanie klatek 3D-pTi
Reprezentatywne badania kliniczne oceniające bezpieczeństwo i skuteczność 3D porowatych tytanowych klatek w różnych technikach zespolenia lędźwiowego są podsumowane w Tabeli 2. Aby ułatwić kontekstową interpretację wyników fuzji radiologicznej, raportowane są również materiały przeszczepowe użyte w każdym badaniu, biorąc pod uwagę ich potencjalny wpływ na biologię fuzji 62,63,64,65,66.

Wskazania i scenariusze chirurgiczne
Klatki 3D-pTi były stosowane w wielu technikach fuzji międzyciałowej lędźwiowej, choć ich kliniczne zastosowanie było częściej zgłaszane w kilku konkretnych scenariuszach. Po pierwsze, są powszechnie stosowane w procedurach LLIF i ALIF wymagających solidnego wsparcia przedniej kolumny oraz dużej powierzchni styku na końcu. Po drugie, często są wybierane do operacji rewizyjnej u pacjentów z wcześniejszą niepowodzeniem zespolenia lub niską jakością kości, z celem potencjalnego wzmocnienia wrostu kości i zwiększenia szans na pomyślne zespolenie. Po trzecie, stosowano je w wielopoziomowych chorobach zwyrodnieniowych, gdzie chirurdzy starają się zmniejszyć ryzyko utraty wysokości międzykręgowej, jednocześnie utrzymując równowagę między korekcją deformacji a jakością zespolenia.

Tempo fuzji i wyniki radiograficzne
Liczne badania porównawcze i przeglądy systematyczne sugerują, że klatki 3D-pTi mogą zapewniać przewagę nad PEEK lub konwencjonalnymi klatkami z litego tytanu pod względem szybkości zespolenia lędźwiowego i właściwości radiograficznego. Patel i in. przeprowadzili systematyczny przegląd siedmiu badań porównawczych obejmujących dane in vitro, dane zwierzęce i ludzkie, w tym 299 osób. Sześć z tych badań faworyzowało 3D-pTi nad PEEK pod względem jakości zespolenia lub wiązania kostno-implantowego oraz wyników związanych z osiadnięciem, bez wyraźnego wzrostu wskaźników rewizji67. Ten trend zaobserwowano również w kilku prospektywnych badaniach klinicznych.

W pojedynczo, ślepym, randomizowanym badaniu kontrolowanym badacze porównywali klatki z mikro–nano-teksturą porowatego tytanu (3DPPT) drukowane w 3D z klatkami PEEK w jednopoziomowym lub dwupoziomowym TLIF. Grupa 3DPPT wykazała wyższy wskaźnik sukcesu wczesnej fuzji po sześciu miesiącach, co sugeruje potencjalną przewagę w przyspieszeniu zarówno tempa, jak i jakości fuzji18,68.

Dla podejść przednich i bocznych, jednoośrodkowe badanie retrospektywne wykazało, że zastosowanie klatek 3D-pTi w procedurach ALIF/LLIF pozwoliło osiągnąć niemal 100% zespolenie segmentalne podczas rocznej obserwacji tomografii komputerowej bez dodatkowego rekombinowanego ludzkiego białka morfogenetycznego – 2 (rhBMP-2)17. Inne badanie LLIF wykazało, że porowate klatki tytanowe drukowane 3D wiązały się z większym odsetkiem przedniego mostowania kostnego między ciałami oraz większym ograniczeniem ruchu faset w porównaniu z tradycyjnymi gwintowymi klatkami tytanowymi69. W prospektywnym badaniu porównawczym Deng i in. poinformowali, że tytanowe klatki drukowane w 3D wykazały większy kontakt między kością a implantem, większą gęstość kości w obszarze zespolenia oraz korzystniejsze oceny subsidencji niż PEEK, choć różnice w wynikach bólu i funkcjonalnych nie były statystycznie istotne68. Chociaż kilka badań wskazuje na korzystne wyniki zespolenia radiologicznego, wyniki te należy interpretować ostrożnie w świetle ograniczeń projektowania badań, zmienności w użyciu przeszczepów oraz różnic w kryteriach oceny obrazowej. Ogólnie rzecz biorąc, obecna baza dowodowa pozostaje heterogeniczna i pochodzi głównie z relatywnie małych, nierandomizowanych kohort.

Rozważania metodologiczne w ocenie fuzji
Bezpośrednie porównanie wyników fuzji między badaniami przedklinicznymi i klinicznymi należy interpretować ostrożnie ze względu na znaczną heterogeniczność metodologiczną. Różnice w materiałach przeszczepów, wymiarach klatki, technikach chirurgicznych i końcowych wynikach badań mogą istotnie wpływać na zgłaszane wyniki i utrudniać przypisanie wyników zespolenia wyłącznie projektowaniu klatki10,70. W szczególności strategie biologicznej augmentacji, w tym wykorzystanie autograftu, allgraftu, demineralizowanej matrycy kostnej (DBM) lub białek morfogenetycznych kości (BMP), mogą niezależnie zwiększać tempo fuzji i stanowić istotny czynnik zakłócający przy ocenie wydajności implantów71.

Ponadto ocena radiograficzna fuzji pozostaje technicznie wymagająca. Metaliczne artefakty związane z implantami tytanowymi mogą zaciemniać wizualizację formowania się kości w klatce, co może prowadzić do niedoszacowania zespolenia. Z kolei zmineralizowane materiały przeszczepowe lub pozostałe substytuty kostne mogą być trudne do odróżnienia od nowo powstałej kości na obrazowaniu, co może prowadzić do przeszacowania szybkości zespolenia. Przyszłe badania mogą skorzystać ze standaryzowanych protokołów obrazowania oraz uzupełniających metod oceny, takich jak ocena histologiczna lub biomechaniczna w modelach przedklinicznych, aby poprawić wiarygodność i interpretowalność oceny fuzji.

Osiadanie i efekty bezpieczeństwa
Załamanie się płytki wierzchołkowej kręgu jest jednym z kluczowych powikłań wpływających na długoterminowy sukces zespolenia lędźwiowego72. W przypadku podejść lateralnych, przegląd systematyczny i metaanaliza LLIF z 2024 roku, obejmujące trzy badania i 265 pacjentów (łącznie 441 segmentów), wykazały, że ogólne wskaźniki osiadania były istotnie niższe w grupie 3D-pTi niż w grupie PEEK (iloraz szans [OR] ≈ 0,25), z wyraźnym spadkiem ciężkiej osiadania (OR ≈ 0,17)69. We wczesnych jednoramiennych seriach LLIF z klatkami 3D-pTi, wskaźniki osiadania segmentów wynosiły około 8%, a tylko około 1,8% segmentów wymagało ponownej operacji przy silnym zapadaniu się, co wydaje się korzystniejsze niż wcześniej zgłaszane wskaźniki dla klatek z litego tytanu lub PEEK73.

W kontekście TLIF kilka badań kohortowych i baz danych sugeruje, że klatki 3D-pTi mogą zmniejszać ryzyko reoperacji związanej z pseudartrombozą74. Levy i in. odnotowali trend niższych wskaźników reoperacji związanych z pseudartrombozą w TLIF wykonywanych w klatkach 3D-pTi w porównaniu z nieporowatymi klatkami PEEK, choć różnica bezwzględna była niewielka i wymaga potwierdzenia długoterminową obserwacją41. Dane rzeczywiste z dużej amerykańskiej bazy administracyjnej porównującej tytanowe klatki PEEK i 3D w fuzji lędźwiowej i lędźwiowo-krzyżowej wykazały, że obie grupy miały niskie skumulowane wskaźniki reoperacji i rewizji w ciągu 3 i 12 miesięcy (około 1%–2%), bez istotnych różnic między grupami41.

Do tej pory nie ma przekonujących dowodów na to, że klatki 3D-pTi są związane z nowymi, specyficznymi dla materiału poważnymi powikłaniami. Chociaż artefakty radiograficzne pozostają brane pod uwagę, porowata struktura może częściowo ograniczać zaciemnienie obrazowania w porównaniu z tradycyjnymi klatkami z litego metalu. Jednak wysokiej jakości, długoterminowe dane dotyczące zużycia, uwalniania jonów metali i degeneracji sąsiednich segmentów pozostają ograniczone i powinny być tematem przyszłych badań.

Implanty specyficzne dla pacjenta i ograniczenia obecnych dowodów
Oprócz standardowych klatek "gotowych" w standardowej wielkości, produkcja addytywna umożliwiła eksplorację implantów specyficznych dla pacjenta (PSI) w fuzji międzyciałowej lędźwiowej. W wieloośrodkowych badaniach prospektywnych z użyciem specyficznych dla pacjenta klatek 3D drukowanych 3D dla LIF, obserwacja wykazała istotną poprawę bólu i wyników Oswestry Disability Index (ODI), a także satysfakcjonujące wskaźniki fuzjina poziomie 18,75. Systematyczne przeglądy porównujące te podejścia z konwencjonalnymi technikami fuzji sugerują, że tytanowe klatki drukowane 3D dostosowane do pacjenta nie są co najmniej gorsze od standardowych implantów pod względem łagodzenia objawów i jakości życia związanej ze zdrowiem76,77.

Jednak większość dostępnych badań stosowała jednoramięćowe projekty prospektywne i nie ma bezpośrednich randomizowanych porównań ze standardowymi klatkami 3D-pTi lub PEEK, co utrudnia wyodrębnienie dodatkowej korzyści wynikającej z indywidualnego projektu. U pacjentów z przeważająco zwyrodnieniową patologią lędźwiową, klatki 3D-pTi mogą potencjalnie zapewnić poprawę właściwości zespolenia radiologicznego oraz zmniejszyć ryzyko utraty wysokości międzykręgowej lub rewizji związanej z pseudartrombozą, bez wyraźnych dowodów na wzrost powikłań czy kosztów. Niemniej jednak, wszelkie potencjalne korzyści w zakresie długoterminowych wyników klinicznych i efektywności kosztowej pozostają do potwierdzenia w większych, randomizowanych badaniach kontrolowanych z rozszerzoną obserwacją. Aby wyjaśnić koncepcyjne położenie i nowość obecnego przeglądu względem niedawno opublikowanych syntez dowodowych 78,79,80,81, porównanie reprezentatywnych przeglądów zostało podsumowane w Tabeli 3.

Ograniczenia i przyszłe kierunki badań
Ograniczenia jakości dowodów i uogólnialności
Pomimo zachęcających wyników zgłaszanych w przedklinicznych i wczesnych badaniach klinicznych, ogólny poziom dowodów potwierdzających klatki międzyciałowe 3D-pTi pozostaje ograniczony. Większość badań klinicznych obejmuje kohorty prospektywne z pojedynczym centrum, retrospektywną lub małą próbą, z okresami obserwacji zwykle od 6 do 24 miesięcy; tylko mniejszość to badania prospektywne lub przeglądy systematyczne65. Ponadto istnieje znaczna heterogeniczność w badaniach dotyczących podejścia chirurgicznego (TLIF/LLIF/ALIF), liczby zespolonych poziomów, obecności spondylolistezy lub deformacji, zastosowania autograftów lub białek morfogenetycznych kości oraz specyficznych parametrów strukturalnych klatek.

Punkty końcowe są również niespójne: niektóre badania wykorzystują stopień fuzji Brantigan–Steffee oparte na tomografii komputerowej lub mostkowanie kości międzyciałowych jako główne wyniki, podczas gdy inne kładą nacisk na stopowanie subsidencji lub częstotliwość reoperacji. Nawet definicja i kryteria oceny "osiadania" nie są jednolite. W związku z tym dostępne obecnie dane są bardziej odpowiednie do identyfikowania trendów na poziomie sygnału niż do ustalania solidnych wniosków przyczynowych. Z perspektywy obrazowania artefakty metaliczne związane z implantami tytanowymi są dobrze znane w radiologii kręgosłupa i mogą utrudniać precyzyjną ocenę formowania się kości w tomografiikomputerowej 56. Efekty utwardzania wiązki i rozpraszania mogą zaciemniać interfejs kość–implant, szczególnie w strukturach porowatych. W modelach dużych zwierząt porowate konstrukty tytanu mogą na obrazowaniu wyglądać na radiogęste, co utrudnia odróżnienie nowo powstałej kości od sieci implantu. Z kolei resztki przeszczepu lub mineralizowane substytuty kostne również mogą być trudne do odróżnienia od prawdziwego mostowania kostnego.

Te czynniki związane z obrazowaniem wprowadzają niepewność w ocenie radiograficznej fuzji i mogą prowadzić do niedoszacowania lub przeszacowania rzeczywistego stanu fuzji. Łącznie te rozważania sugerują, że zgłaszane korzyści radiograficzne klatek 3D-pTi należy interpretować ostrożnie w świetle ograniczeń obrazowania i zmienności projektu badania.

Brak jednolitego "optymalnego" materiału i konstrukcji
Z punktu widzenia inżynierii materiałowej i konstrukcji kluczową zaletą 3D-pTi jest możliwość osiągnięcia "konfigurowalnego" modułu sprężystości i kanałów wrostu kości poprzez regulację porowatości, wielkości porów oraz topologii sieci. Obecnie jednak nie ma konsensusu, który zakres porowatości (np. 50%–80%), wielkość porów (np. 300–600 μm) lub typ kratownicy (np. Voronoi, kratownica oktetowa) jest najbardziej odpowiedni dla warunków obciążenia i jakości kości płyt końcowych lędźwiowych. Co ważne, nadal nie jest pewne, czy istnieje pojedynczy "optymalny" projekt rusztowań, czy też wiele konfiguracji strukturalnych może osiągnąć odpowiednią stabilność mechaniczną i integrację biologiczną w różnych warunkach klinicznych. Najnowsze testy mechaniczne sugerują, że zoptymalizowana klatka 3D-Ti o około 70% porowatości i anatomicznie zgodnym kształcie zewnętrznym może znacząco zwiększyć odporność na osiadanie26. Jednak takie wyniki należy interpretować jako specyficzne dla modelu, a nie uniwersalnie uogólnialne.

Jednocześnie, choć bardziej porowata struktura zwiększa potencjał wrastania kości, budzi też obawy dotyczące wytrzymałości zmęczenia i długotrwałej trwałości. Nadmiernie wysoka porowatość może obniżyć odporność na zmęczenie i zwiększyć ryzyko powstawania mikropęknięć oraz uszkodzenia strukturalnego, podczas gdy zbyt niska porowatość może być niekorzystna dla wrostu kości i rozkładu obciążenia. Większość istniejących badań przeprowadzono na zdrowych modelach zwierzęcych lub u pacjentów z relatywnie zachowaną jakością kości. Brakuje systematycznych danych, które pozwalałyby określić, czy projekty 3D-Ti powinny być dostosowane do indywidualnych pacjentów u starszych osób z osteoporozą, metabolicznymi chorobami kostnymi lub długotrwałym stosowaniem glukokortykoidów. Przyszłe badania mogą skorzystać na skupieniu się na definiowaniu "odpowiednich zakresów projektowych" dla konkretnych kontekstów biomechanicznych i biologicznych, zamiast na identyfikowaniu uniwersalnie optymalnej architektury rusztowań.

Wyzwania ekonomiczne, regulacyjne i wdrożeniowe
Addytywna produkcja implantów kręgosłupa wiąże się zazwyczaj z wyższymi kosztami produkcji i większą złożonością techniczną w porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami standaryzowanymi. Implanty drukowane 3D dostosowane do konkretnego pacjenta wprowadzają także dodatkowe kwestie związane z ścieżkami zatwierdzania regulacyjnego, wymaganiami kontroli jakości oraz obowiązkami nadzoru po wprowadzeniu na rynek. Obecnie formalne oceny ekonomii zdrowotnej, które szczególnie oceniają efektywność kosztowo-lub użyteczność 3D-pTi w zespoleniu lędźwiowym, pozostają ograniczone. Dostępne dane z rzeczywistego świata sugerują, że koszty krótkoterminowej hospitalizacji i wykorzystania zasobów peroperacyjnych są w dużej mierze porównywalne z kosztami konwencjonalnych implantów; Jednak wciąż brakuje solidnych długoterminowych analiz ekonomicznych. Ponadto polityki zwrotu kosztów oraz zalecenia dotyczące implantów kręgosłupa drukowanych w 3D nie zostały jeszcze ustandaryzowane w systemach opieki zdrowotnej. Razem te czynniki podkreślają potrzebę jaśniejszych ram oceny ekonomicznej i regulacyjnej, zanim szersze wdrożenie kliniczne zostanie w pełni ocenione.

Priorytetowe obszary przyszłych badań i klinicznego tłumaczenia
Chociaż przedkliniczne i wczesne badania kliniczne sugerują potencjalne zalety 3D drukowanych porowatych tytanowych klatek, obecna baza dowodowa pozostaje heterogeniczna i ograniczona pod względem długoterminowej obserwacji. Przyszłe badania skorzystałyby na bardziej ustandaryzowanym raportowaniu parametrów projektowania konstrukcji i definicji wyników, aby poprawić porównywalność między badaniami. Ponadto konieczne będą długoterminowe dane kliniczne oraz odpowiednio zaprojektowane badania porównawcze, aby wyjaśnić trwałość, zachowanie osiadania i funkcjonalne wyniki. Nowe technologie, w tym strategie projektowania implantów dostosowane do pacjenta oraz podejścia modelowania oparte na danych, pozostają eksperymentalne i wymagają dalszej weryfikacji, zanim można rozważyć rutynową integrację kliniczną.

Wnioski

Klatki międzyciałowe z tytanu drukowane 3D stanowią nowatorski rozwój technologiczny w chirurgii zespolenia lędźwiowego i były badane w przedklinicznych oraz wczesnych badaniach klinicznych. Dostępne dowody sugerują, że ich architektura sieci może ułatwiać kompatybilność mechaniczną oraz interakcję kość–implant w określonych warunkach. Jednak obecne dane porównawcze z konwencjonalnymi klatkami z tytanem, konwencjonalnym PEEK oraz PEEK produkowanymi addytywnie pozostają ograniczone i zróżnicowane, co uniemożliwia ostateczne wnioski dotyczące względnej wydajności klinicznej. Długoterminowa trwałość, efektywność kosztowa oraz ustandaryzowana ocena wyników wymagają dalszych badań. Obecnie klatki 3D-pTi powinny być traktowane jako jedna z opcji spośród kilku dostępnych technologii implantów międzyciałowych, a ich dokładna rola kliniczna zostanie wyjaśniona przez przyszłe, wysokiej jakości badania porównawcze.

figure-results-1
Rysunek 1: Zasady projektowania wydrukowanych 3D porowatych, tytanowych klatek międzykaroseriowych. Kontrolowana porowatość i architektura sieci umożliwiają dostosowanie modułu sprężystości do modułu kości gąbkowatej, co ułatwia lepsze przenoszenie obciążenia fizjologicznego i potencjalnie zmniejsza ochronę przed naprężeniami. Połączona sieć porowata może wspierać wrastanie kości i unaczynienia, przyczyniając się do poprawy osseointegracji i długoterminowej stabilności implantu, jednocześnie potencjalnie zmniejszając ryzyko zapadania się klatki. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

TytułStudiaRokTyp badaniaModelKluczowe ustalenia
Guyer i in. (48)2016Biomechaniczne badania zwierzątModel wieprzowyPorowate rusztowanie tytanowe vs PEEK vs allograftPorowate rusztowanie tytanowe wykazało znacznie silniejsze połączenie kości–implant oraz lepszą osseointegrację.
McGilvray i in. (49)2018Porównawcze badania zwierzątModel zespolenia lędźwiowego owiec (owce)Klatka PEEK; Plazmowo natryskiwany porowaty tytanem PEEK (PSP); Klatka z porowatego stopu tytanu drukowana w 3D (PTA)Klatki z porowatego stopu tytanu drukowane w 3D wykazały znacznie większy wrost kości, ograniczony zakres ruchu oraz zwiększoną sztywność konstrukcji w porównaniu z klatkami PEEK i PSP, co wskazuje na lepszy potencjał osseointegracji i fuzji.
Carpenter i in. (50)2018Analiza elementów skończonychModel obliczeniowy FE oparty na geometrii mikro-CT implantuPorowate struktury implantów PEEK kontra porowate struktury tytanu (Ti) drukowane w 3DPorowaty PEEK znacząco zwiększył podział obciążenia z wrastającą kością w porównaniu z porowatym tytanem (np. ~66% vs ~13% przeniesienia obciążenia po 4 tygodniach pod kompresją) i powodował wyższe naprężenia fizjologiczne w sąsiedniej kości, co sugerowało bardziej sprzyjające warunki mechaniczne do utrzymania kości i osseointegracji.
Zhang i in. (51)2020Kontrolowany eksperyment na zwierzętachModel fuzji międzyciałowej makaka rezusa (OLIF)Klatka Ti6Al4V drukowana w 3D; Klatki wypełnione symwastatyną/poloxamerem 407 hydrożelem vs tylko hydrożelem vs pustym cageHydrożel wypełniony symwastatyną w porowatych klatkach tytanowych znacząco zwiększył wrost kości, aktywność osteoblastów (PET/CT SUV), frakcję objętości kości oraz zmniejszoną długość ruchu, co wskazuje na poprawę zespolenia kręgosłupa i stabilności mechanicznej.
Yee-Yanagishita i in. (52)2022Badania biomechaniczne in vitroModel bloków z pianki poliuretanowej symulujący płytki końcowe kręgówKlatka z porowatego tytanu (kratownica ciała + mikroporowate płyty końcowe); porowata klatka PEEK; Klatka z tytanu kratownicowegoKlatka tytanowa o porowatej konstrukcji wykazała najlepszą odporność na osiadanie przy najwyższej sztywności bloku i najniższym dynamicznym przesunięciu w porównaniu z porowatymi klatkami tytanowymi PEEK i kratownicowymi, co wskazuje, że konstrukcja klatki odgrywa większą rolę niż sam materiał w zapobieganiu osiadaniu.
Fogel i in. (26)2022Porównawcze badanie przedkliniczne (badania mechaniczne in vitro + badanie na zwierzętach in vivo)Model osiadania bloków z pianki poliuretanowej (ASTM F2267) oraz model fuzji międzyciałowej owiec lędźwiowychKlatka Ti-6Al-4V drukowana 3D z kratownicą zoptymalizowaną pod względem naprężeń i mikroporowatymi płytami końcowymi (Modulus XLIF)Konstrukcja klatki z porowatego tytanu zmniejszała sztywność implantu, wykazywała wysoką odporność na osiadanie (sztywność bloku ≈1976,8 N/mm) oraz progresywne wrastanie i zespolenie kości w modelu owiec z częstością zespolenia 87,5% w 12. tygodniu i 100% w 26. tygodniu.
Xu i in. (53)2022Eksperyment na zwierzętach in vitro + in vivoModel hodowli osteoblastów MC3T3-E1 i defektu kości udowej królikaRusztowania Ti6Al4V drukowane w 3D z pustymi sześciokątnymi strukturami pryzmatu vs puste trójkątne pryzmatySześciokątne rustetowe rusztowanie tytanowe wykazało większą przyczepność komórek, wyższą aktywność ALP oraz lepszą integrację kości i nowe kształtowanie się w porównaniu ze strukturą pryzmatu trójkątnego.
Johnson i in. (54)2023Przedkliniczne badania na zwierzętach z analizą biomechaniczną, μCT i histomorfometriąModel fuzji międzyciałowej owiec lędźwiowych (6 owiec; L2–L3 oraz L4–L5)Klatki kratownicowe Ti6Al4V produkowane addytywnie: konstrukcja kratownicza korpusu vs konstrukcja kraty korpusu + powierzchniOba projekty klatki z tytanu drukowane w 3D osiągały pozytywne efekty fuzji; klatki siatkowe ciała wykazywały istotnie wyższą liczbę kości w kontakcie niż klatki powierzchniowe, a ogólna wydajność fuzji była lepsza niż wcześniej zgłaszane klatki PEEK.

Tabela 1: Podsumowanie reprezentatywnych badań biomechanicznych i biologicznych dotyczących 3D drukowanych porowatych tytanowych klatek stosowanych w fuzji międzyciałowej lędźwiowej. Ta tabela podsumowuje reprezentatywne badania eksperymentalne dotyczące biomechanicznych i biologicznych właściwości porowatych lub drukowanych 3D tytanowych klatek międzykorpusowych wykorzystywanych w badaniach nad fuzją lędźwiową. Uwzględnione badania obejmują analizy elementów skończonych, testy mechaniczne in vitro , eksperymenty komórkowe oraz przedkliniczne modele fuzji zwierząt. Zgłaszane wyniki obejmują sztywność implantu, odporność na osiadanie implantów, kontakt kości–implant, wrost kości oraz stabilność biomechaniczną związaną ze zniesieniem (fusion). Łącznie badania te dostarczają dowodów mechanistycznych potwierdzających potencjalne zalety porowatych struktur tytanowych w optymalizacji rozkładu obciążeń, redukcji osłon naprężeniowych oraz promowaniu osseointegracji. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.

StudiaRokPodejścieProjekt badaniaWielkość próbyDalsze działaniaWynik radiograficznyKomparator
Adl Amini D. i in. (62)2021LLIFRetrospektywne porównanie113 pacjentów (186 poziomów)6–12 miesięcyCiężkie osiadanie sięgania: 3,0% (Ti) vs 18,5% (PEEK)Ti drukowany w 3D kontra PEEK
Corso KA. i in. (63)2022ALIF / PLIFKohorta opisowa retrospektywna93 pacjentów na grupę6 miesięcyPoprawka: 0% (Ti) vs 0,5% (PEEK)Ti drukowany w 3D kontra PEEK
Alan N. i in. (64)2023LLIFKohorta retrospektywna z dopasowaniem skłonnościPoziomy 97 vs 9712 miesięcyOsiadanie sięgania: 27% vs 8%pTi kontra PEEK
Segi N. i in. (65)2023XLIFRetrospektywne badanie porównawcze32 pacjentów3 miesiąceVEC: 8% vs 45%Ti drukowany w 3D kontra PEEK
Donaldson C. i in. (66)2024ALIF / LLIFKohorta retrospektywna50 pacjentów (66 poziomów)12 miesięcyOsiadanie 3,03%Brak (jednoramienny)

Tabela 2: Kluczowe badania kliniczne oceniające bezpieczeństwo i skuteczność 3D drukowanych porowatych tytanowych klatek w fuzji międzyciałowej lędźwiowej. Ta tabela podsumowuje reprezentatywne badania kliniczne badające wyniki radiograficzne i kliniczne związane z porowatymi lub drukowanymi 3D tytanowymi klatkami międzyciałami w procedurach fuzji międzyciałowej lędźwiowej, w tym zespolenie międzyciałowe boczne lędźwiowe (LLIF), przednie lędźwiowe zespolenie międzyciałowe (ALIF), tylne zespolenie lędźwiowe (PLIF) oraz skrajne zespolenie boczne międzyciałowe (XLIF). Tabela przedstawia projekt badania, wielkość próby, czas obserwacji oraz główne wyniki radiograficzne, takie jak osiadanie klatki, powstawanie torbieli na końcu kręgu oraz częstość rewizji. Uwzględniono zarówno badania porównawcze (klatki z porowatego tytanu vs klatki PEEK), jak i serie kliniczne z pojedynczym ramieniem, aby dać przegląd aktualnych dowodów klinicznych dotyczących stabilności implantu i bezpieczeństwa krótkoterminowego. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.

NieAutorRokTyp recenzjiTematyka recenzjiBiomechanikaWyniki kliniczneProjektowanie / produkcjaRamy koncepcyjne
1Duan Y (78)2024Przegląd systematyczny i metaanalizaKliniczne porównanie klatek Ti drukowanych 3D i PEEKNieTakLimitowaneNie
2Pairojboriboon S (79)2024Metaanaliza sieciowaWyniki fuzji w różnych materiałach klatkiNieTakLimitowaneNie
3Lee JJ (80)2025Przegląd narracjiHistoryczna ewolucja klatek tytanowych i technologii druku 3DLimitowaneLimitowaneTakNie
4Ta recenzja/Narracyjny przegląd integracyjnyMechanistyczna synteza zasad projektowania, wydajności biomechanicznej, osseointegracji oraz klinicznych wyników drukowanych 3D porowatych klatek tytanowychTakTakTakTak

Tabela 3: Porównanie najnowszych przeglądów dotyczących tytanowych klatek międzykaroseriowych drukowanych w 3D oraz zakres niniejszego przeglądu. Ta tabela porównuje reprezentatywne najnowsze recenzje dotyczące tytanowych klatek międzykaroseriowych drukowanych w 3D z obecnym przeglądem pod względem typu przeglądu, głównych obszarów badań oraz tematycznego zakresu. Kluczowe oceniane aspekty obejmują, czy przeglądy obejmowały mechanizmy biomechaniczne, wyniki kliniczne, projektowanie implantów i zasady produkcji addytywnej oraz szersze ramy koncepcyjne integrujące perspektywy inżynieryjne i kliniczne. To porównanie podkreśla rozszerzony zakres niniejszego przeglądu, który integruje dowody biomechaniczne, biologiczne, projektowe i kliniczne, aby zapewnić bardziej kompleksową syntezę koncepcyjną. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Oświadczenia

Wszyscy autorzy deklarują, że nie mają konfliktów interesów związanych z projektem, analizą ani publikacją tej pracy. Nie ma żadnych relacji finansowych, ról doradczych, zgłoszeń patentowych ani innych konkurujących interesów z tym manuskryptem. Koncepcja: Peng Sun i Kai Su; Przegląd literatury: Kai Su; Scenariusz — oryginalny szkic: Kai Su; Pisanie—recenzja i redakcja: Peng Sun; Nadzor: Peng Sun.

Podziękowania

Autorzy wyrażają szczere podziękowania kolegom, którzy wspierali wyszukiwanie literatury, organizację danych oraz dyskusje naukowe. Dziękujemy również naszej instytucji za zapewnienie wspierającego środowiska badawczego oraz wsparcia administracyjnego, które umożliwiły płynne zakończenie tych prac. Do edycji i dopracowywania rękopisu użyto generatywnej sztucznej inteligencji. Autorzy biorą pełną odpowiedzialność za treść i interpretację dzieła.

Bibliografia

  1. Kim, H. S., Wu, P. H., Jang, I. T. Lumbar degenerative disease part 1: anatomy and pathophysiology of intervertebral discogenic pain and radiofrequency ablation of basivertebral and sinuvertebral nerve treatment for chronic discogenic back pain. Int J Mol Sci. 21 (4), (2020).
  2. Fakhoury, J., Dowling, T. J. Lumbar spinal stenosis. , StatPearls Publishing. Treasure Island, FL. (2025).
  3. Young, J. J., et al. Prevalence of multimorbid degenerative lumbar spinal stenosis with knee and/or hip osteoarthritis: Protocol for a systematic review and meta-analysis. Syst Rev. 9 (1), 232(2020).
  4. Fortunati, M., Rossi-Mossuti, F., Muroi, C. Degenerative lumbar spinal disorders and their treatment options. Praxis Bern. 109 (2), 87-95 (2020).
  5. Mehren, C., Ostendorff, N., Schmeiser, G., Papavero, L., Kothe, R. Do TLIF and PLIF techniques differ in perioperative complications? Comparison of complication rates of two high-volume centers. Global Spine J. 15 (1), 84-93 (2025).
  6. Yunga Tigre, J., et al. Risk factors for vascular injuries in anterior lumbar interbody fusion: a single-institution retrospective study. J Neurosurg Spine. 41 (1), 17-23 (2024).
  7. Shi, J., et al. Meta-analysis of the efficacy and safety of OLIF and TLIF in the treatment of degenerative lumbar spondylolisthesis. J Orthop Surg Res. 19 (1), 242(2024).
  8. Ogata, Y., et al. The optimal patient position on the surgical table for lateral lumbar interbody fusion in adult spinal deformity using three-dimensional computed tomography. Spine Surg Relat Res. 8 (2), 180-187 (2024).
  9. Segi, N., et al. Trabecular bone remodeling after posterior lumbar interbody fusion: comparison of osseointegration in porous titanium cages and polyether-ether-ketone cages. Global Spine J. 15 (1), 66-75 (2025).
  10. You, K. H., et al. Effect of cage material and size on fusion rate and subsidence following biportal endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion. Neurospine. 21 (3), 973-983 (2024).
  11. Talukdar, R. G., Dhara, S., Gupta, S. Bone ingrowth in randomly distributed porous interbody cage during lumbar spinal fusion. Med Eng Phys. 133, 104248(2024).
  12. Liu, J., Xue, K., Li, S., Zhang, Y., Cheng, J. Whole-lesion histogram analysis of T1- and T2-weighted imaging for differentiating adrenal adenoma and pheochromocytoma using support vector machine. Can Assoc Radiol J. 72 (3), 452-459 (2021).
  13. Liang, Y., et al. Effects of different orientations of cage implantation on lumbar interbody fusion. World Neurosurg. 140, e97-e104 (2020).
  14. Mokawem, M., Katzouraki, G., Harman, C. L., Lee, R. Lumbar interbody fusion rates with 3D-printed lamellar titanium cages using calcium phosphate bone graft. J Clin Neurosci. 68, 134-139 (2019).
  15. Tan, J. H., Cheong, C. K., Hey, H. W. D. Titanium cages may be superior to PEEK cages in lumbar interbody fusion: systematic review and meta-analysis. Eur Spine J. 30 (5), 1285-1295 (2021).
  16. Ragni, E., et al. Superior osteo-inductive and osteo-conductive properties of trabecular titanium versus PEEK scaffolds on human mesenchymal stem cells. Int J Mol Sci. 22 (5), 2379(2021).
  17. Calek, A. K., Hochreiter, B., Buckland, A. J. 3D-printed titanium cages for anterior and lateral lumbar interbody fusion result in excellent fusion rates one year after surgery. Global Spine J. 16 (1), 341-348 (2025).
  18. Weinberg, J. H., et al. Lumbar fusion with micro- and nano-textured porous titanium versus PEEK interbody cages in TLIF: Randomized controlled trial. Global Spine J. 16 (1), 434-445 (2025).
  19. Liu, S. X., et al. 3D-printed porous titanium versus PEEK cages in lateral lumbar interbody fusion: systematic review and meta-analysis. Front Med Lausanne. 11, 1389533(2024).
  20. Wang, H., Zhang, H., Xiao, C., Zhang, K., Qi, L. Clinical and radiological outcomes of titanium cage versus PEEK cage in lumbar interbody fusion: Systematic review and meta-analysis. Neurosurg Rev. 48 (1), 295(2025).
  21. Smit, T., Aage, N., Haschtmann, D., Ferguson, S. J., Helgason, B. Patient-specific spinal fusion cages designed by full-scale topology optimization. J Mech Behav Biomed Mater. 159, 106695(2024).
  22. Pan, C. T., et al. Design of customized interbody fusion cages of Ti64ELI with gradient porosity by selective laser melting process. Micromachines Basel. 12 (3), 307(2021).
  23. Huang, S. F., et al. Biomechanical evaluation of an osteoporotic anatomical 3D printed posterior lumbar interbody fusion cage with lattice design. Int J Bioprint. 9 (3), 697(2023).
  24. Ho, N. C., et al. Evaluation of topology optimization using 3D printing for bioresorbable fusion cages: a biomechanical study in a porcine model. Spine Phila Pa 1976. 48 (4), E46-E53 (2023).
  25. Mushtaq, R. T., et al. Optimization of 3D-printed bio-based super tough PLA scaffolds for cancellous bone regeneration. Int J Biol Macromol. 316 (1), 144466(2025).
  26. Fogel, G., et al. Subsidence and fusion performance of a 3D-printed porous interbody cage with stress-optimized lattice. Spine J. 22 (6), 1028-1037 (2022).
  27. Liu, B., et al. Structural design and finite element simulation analysis of graded porous titanium implant. Int J Mol Sci. 23 (17), 10090(2022).
  28. Lei, H., et al. Structural optimization of 3D-printed porous titanium implants promotes bone regeneration for enhanced biological fixation. ACS Appl Mater Interfaces. 17 (12), 18059-18073 (2025).
  29. Sadighi, A., et al. Prediction of bone ingrowth into porous swelling bone anchors using an osteoconnectivity-based adaptive finite element algorithm. Med Biol Eng Comput. 63, 2923-2942 (2025).
  30. Idaszek, J., et al. Mimicking nature: Effect of architectural design inspired by cancellous bone on the biological response of hMSC cultured on titanium scaffolds fabricated by laser beam powder bed fusion. J Biomed Mater Res A. 113 (1), e37860(2025).
  31. Guo, W., et al. Multiscale hierarchical micro- and nano-surface induced by high-repetition-rate femtosecond laser promote peri-implant osseointegration. ACS Appl Bio Mater. 8 (2), 1621-1634 (2025).
  32. Tambun, D. V., et al. Titanium surface roughness mediated macrophage polarization influences osteogenic differentiation of periodontal ligament-derived mesenchymal stromal cells. Eur J Dent. 20 (1), 105-113 (2025).
  33. Chu, S., et al. Hierarchical interconnected porous scaffolds with regulated interfacial nanotopography exhibit antimicrobial, alleviate inflammation, promote neovascularization, and tissue integration for bone regeneration. Biomaterials. 318, 123186(2025).
  34. Zhang, T. M., et al. Effects of 3D-printed porous Ti-6Al-4V scaffold pore structure and micro-nano surface topography on the repair of maxillofacial bone defects. Materials & Design. 257, 114376(2025).
  35. Shu, T., et al. Microscale bone interlocking enhances osseointegration strength on the rough surface of 3D-printed titanium implants: Experimental and finite element analysis. BMC Oral Health. 25 (1), 208(2025).
  36. Deering, J., et al. Osseointegration of functionally graded Ti6Al4V porous implants: Histology of the pore network. Biomater Adv. 155, 213697(2023).
  37. Wu, M. H., et al. In vitro and in vivo comparison of bone growth characteristics in additive-manufactured porous titanium, nonporous titanium, and porous tantalum interbody cages. Materials Basel. 15 (10), 3670(2022).
  38. Wang, X., Nie, Z., Chang, J., Lu, M. L., Kang, Y. Multiple channels with interconnected pores in a bioceramic scaffold promote bone tissue formation. Sci Rep. 11 (1), 20447(2021).
  39. Greer, A. I. M., et al. Nanopatterned titanium implants accelerate bone formation in vivo. ACS Appl Mater Interfaces. 12 (30), 33541-33549 (2020).
  40. Farber, S. H., et al. Computed tomography assessment of long-term fusion and subsidence for anterior lumbar interbody fusion performed at the lumbosacral junction. Clin Spine Surg. 39 (1), E38-E44 (2025).
  41. Levy, H. A., et al. Do three-dimensional printed porous titanium relative to polyetheretherketone interbody cages reduce complications and revisions after transforaminal lumbar interbody fusion. Global Spine J. 16 (1), 185-195 (2025).
  42. Zhang, C., Wang, Y. Biomechanical analysis of axial gradient porous dental implants: a finite element analysis. J Funct Biomater. 14 (12), 557(2023).
  43. Chowdhury, S., Anand, A., Singh, A., Pal, B. Evaluation of mechanical properties of Ti-25Nb BCC porous cell structures and their association with porosity: A finite element and analytical study. Proc Inst Mech Eng H. 235 (7), 827-837 (2021).
  44. Zhang, Z., et al. Biomechanical analysis of porous additive manufactured cages for lateral lumbar interbody fusion: a finite element analysis. World Neurosurg. 111, e581-e591 (2018).
  45. Zou, D., et al. Biomechanical analysis of lumbar interbody fusion cages with various elastic moduli in osteoporotic and non-osteoporotic lumbar spine. Global Spine J. 14 (7), 2053-2061 (2024).
  46. Zhu, C., Deng, K., Shao, Z., Wang, Y. Biomechanical optimization of lumbar fusion cages with a porous design: a finite element analysis. Appl Sci. 15 (10), 5384(2025).
  47. Zhang, H., et al. Biomaterials for interbody fusion in bone tissue engineering. Front Bioeng Biotechnol. 10, 900992(2022).
  48. Guyer, R. D., Abitbol, J. J., Ohnmeiss, D. D., Yao, C. Evaluating osseointegration into a deeply porous titanium scaffold: a biomechanical comparison with PEEK and allograft. Spine Phila Pa 1976. 41 (19), E1146-E1150 (2016).
  49. Mcgilvray, K. C., et al. Bony ingrowth potential of 3D-printed porous titanium alloy: A direct comparison of interbody cage materials in an ovine lumbar fusion model. Spine J. 18 (7), 1250-1260 (2018).
  50. Carpenter, R. D., et al. Effect of porous orthopaedic implant material and structure on load sharing with simulated bone ingrowth: A finite element analysis comparing titanium and PEEK. J Mech Behav Biomed Mater. 80, 68-76 (2018).
  51. Zhang, W., et al. 3D-printed porous titanium cages filled with simvastatin hydrogel promote bone ingrowth and spinal fusion in rhesus macaques. Biomater Sci. 8 (15), 4147-4156 (2020).
  52. Yee-Yanagishita, C., et al. Biomechanical comparison of subsidence performance among three modern porous lateral cage designs. Clin Biomech Bristol. 99, 105764(2022).
  53. Xu, Z., et al. In vitro and in vivo analysis of the effects of 3D-printed porous titanium alloy scaffold structure on osteogenic activity. Biomed Res Int. 2022, 8494431(2022).
  54. Johnson, J. W., et al. Novel 3D printed lattice structure titanium cages evaluated in an ovine model of interbody fusion. JOR Spine. 6 (3), e1268(2023).
  55. Laratta, J. L., et al. 3D-printed titanium cages without bone graft outperform PEEK cages with autograft in an animal model. Spine J. 22 (6), 1016-1027 (2022).
  56. Walsh, W. R., et al. Preclinical evaluation of lateral interbody fusions using 3D printed PEEK or 3D printed titanium cages. N Am Spine Soc J. 23, 100756(2025).
  57. Loenen, A. C. Y., et al. Early bone ingrowth and segmental stability of a trussed titanium cage versus a polyether ether ketone cage in an ovine lumbar interbody fusion model. Spine J. 22 (1), 174-182 (2022).
  58. Wang, C., et al. Improving osteoinduction and osteogenesis of Ti6Al4V alloy porous scaffold by regulating the pore structure. Front Chem. 11, 1190630(2023).
  59. Yu, M., et al. 3D printed Ti-6Al-4V implant with a micro/nanostructured surface and its cellular responses. ACS Omega. 5 (49), 31738-31743 (2020).
  60. Papaefstathiou, S., et al. Three-dimensional printing of biomimetic titanium mimicking trabecular bone induces human mesenchymal stem cell proliferation: An in vitro analysis. Spine Phila Pa 1976. 47 (14), 1027-1035 (2022).
  61. Taylor, B. L., et al. Three-dimensional porous trabecular scaffold exhibits osteoconductive behaviors in vitro. Regen Eng Transl Med. 6 (3), 241-250 (2020).
  62. Adl Amini, D., et al. Evaluation of cage subsidence in standalone lateral lumbar interbody fusion: novel 3D-printed titanium versus polyetheretherketone cage. Eur Spine J. 30 (8), 2377-2384 (2021).
  63. Corso, K. A., et al. Early revision events among patients with a three-dimensional printed cellular titanium or PEEK spinal cage for single-level lumbar spinal fusion. Expert Rev Med Devices. 19 (2), 195-201 (2022).
  64. Alan, N., et al. Graft subsidence and reoperation after lateral lumbar interbody fusion: A propensity score–matched cost analysis of PEEK versus 3D-printed porous titanium interbodies. J Neurosurg Spine. 39 (2), 187-195 (2023).
  65. Segi, N., et al. Vertebral endplate concavity in lateral lumbar interbody fusion: Tapered 3D-printed porous titanium cage versus squared PEEK cage. Medicina Kaunas. 59 (2), 372(2023).
  66. Donaldson, C., Santro, T., Awad, M., Morokoff, A. 3D-printed titanium alloy cage in anterior and lateral lumbar interbody fusion for degenerative lumbar spine disease. J Spine Surg. 10 (1), 22-29 (2024).
  67. Patel, N. A., et al. Three-dimensional printed titanium versus polyetheretherketone cages for lumbar interbody fusion: Systematic review of comparative in vitro, animal, and human studies. Neurospine. 20 (2), 451-463 (2023).
  68. Deng, Z., et al. Comparison between three-dimensional printed titanium and PEEK cages for cervical and lumbar interbody fusion: A prospective controlled trial. Orthop Surg. 15 (11), 2889-2900 (2023).
  69. Velluto, C., et al. Radiological evaluation of fusion patterns after lateral lumbar interbody fusion with 3D-printed porous titanium cages versus conventional titanium cages. Front Surg. 11, 1446792(2024).
  70. Parajón, A., et al. Minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion: Meta-analysis of fusion rates and optimal graft material. Neurosurgery. 81 (6), 958-971 (2017).
  71. Chen, C., et al. Self-assembled nanocomposite hydrogels as carriers for demineralized bone matrix particles and enhanced bone repair. Adv Healthc Mater. 13 (10), e2303592(2024).
  72. Chang, C. C., et al. Long-term radiographic outcomes of expandable versus static cages in transforaminal lumbar interbody fusion. J Neurosurg Spine. 34 (3), 471-480 (2021).
  73. Alan, N., et al. Subsidence after lateral lumbar interbody fusion using a 3D-printed porous titanium interbody cage: Single-institution case series. J Neurosurg Spine. 37 (5), 663-669 (2022).
  74. Tao, X., et al. TLIF is associated with lower rates of adjacent segment disease and complications compared to ALIF: A matched cohort analysis. Spine Phila Pa 1976. 48 (19), 1335-1341 (2023).
  75. Corso, K. A., et al. Evaluation of healthcare outcomes of patients treated with 3D-printed titanium and PEEK cages during lumbar fusion procedures. Med Devices Auckl. 18, 37-51 (2025).
  76. Seex, K. A., et al. Clinical outcomes of 3D-printed titanium patient-specific implants in lumbar interbody fusion: A prospective clinical trial with systematic review. J Pers Med. 15 (7), 320(2025).
  77. Turlip, R. W., et al. Evaluating the efficacy of a novel titanium cage system in ALIF and LLIF: a retrospective clinical and radiographic analysis. J Clin Med. 14 (16), (2025).
  78. Duan, Y., et al. Comparison of lumbar interbody fusion with 3D-printed porous titanium cage versus PEEK cage in lumbar degenerative disease: systematic review and meta-analysis. World Neurosurg. 183, 144-156 (2024).
  79. Pairojboriboon, S., et al. Comparison of TLIF cage material on fusion rates: Systematic review and network meta-analysis. World Neurosurg X. 23, 100392(2024).
  80. Lee, J. J., Jacome, F. P., Hiltzik, D. M., Pagadala, M. S., Hsu, W. K. Evolution of titanium interbody cages and current uses of 3D-printed titanium in spine fusion surgery. Curr Rev Musculoskelet Med. 18 (12), 635-644 (2025).
  81. Liu, D., et al. Radiographic and clinical comparison of polyetheretherketone versus 3D-printed titanium cages in lumbar interbody fusion. J Clin Med. 14 (6), 1813(2025).

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Tytan drukowany w technologii 3Dwytwarzanie przyrostowewrastanie kościosseointegracjastabilność segmentarnaadhezja osteoblastówekranowanie naprężeńuzasadnienie biomechaniczne
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.