以下文章来源于Interdisciplinary Materials ，作者交叉学科材料
论文信息
Y. Li, P. Chen, Z. Wu, C. Shi, P. Chen, Y. Xu, X. Chen, M. Chen, Y. Li, Ch. Yan, Y. Shi, B. Su. A nonradiographic strategy to real-time monitor the position of three-dimensional-printed medical orthopedic implants by embedding superparamagnetic Fe3O4 particles. Interdiscip. Mater. 2024; 3(1). doi: 10.1002/idm2.12133
摘 要
监测骨科植入物的位置对于术后康复是至关重要的。传统的放射性方法尽管是有效的，但给病人带来了不便利，其需要特殊的设备辅助以及在调整康复方法上具有延后性。近日，华中科技大学闫春泽&苏彬教授团队报道了一种非放射性的设计方法来实时准确监测骨科植入物在体内的位置。这个监测系统包括一个外加磁场、一个3D打印的超顺磁椎间融合器（SIBFC）和一个磁力计。SIBFC通过高温激光选区烧结工艺（HT-SLS）将聚醚醚酮骨架（PEEK）和超顺磁的Fe3O4组分进行整合。得益于SIBFC中的超顺磁组分，即使SIBFC在脊椎内发生了微小的迁移，也会导致其周围的空间磁场发生变化，进而可以被磁力计实时监测到。除了SIBFC在水平方向的迁移，根据所获得的磁感应强度特征变化，也可以有效识别其在椎体垂直平面上的沉降。这一策略体现了超顺磁Fe3O4颗粒在配备到具有无线监测功能的3D打印骨科植入物方面的潜力，有望改善患者的康复疗程。
主要内容
骨骼植入物在植入人体内的滑脱是不利的，这会导致治疗的失败甚至导致二次手术，这给患者带来了治疗成本和康复方面的压力。传统的监测手段依赖于X射线或者CT检查，这不仅导致患者暴露在放射性的环境中，而且只能检测到其在体内静止的状态，骨科植入物的位置随患者运动时的实时监测是缺失的。通过深层组织监测可以检测到人体内植入物的状态，为了患者的康复，其需要满足以下几个准则：无线、生物相容性和简单化。这三项准则可以通过在骨科植入物中整合超顺磁的Fe3O4颗粒来实现。当顺磁性的物质放置到空间磁场中时，会诱导磁力线从顺磁物质中通过，可以局部减缓磁场的衰减，进而改变空间磁场的分布。而这一变化可以通过磁力计进行监测，进而判断其位置。
1. 制备示意图以及力学性能
通过高温激光选区烧结工艺（HT-SLS）将椎间融合器的骨架打印出来后，对骨架填充Fe3O4/Ecoflex组分，待其固化后再通过HT-SLS工艺将SIBFC进行封装，当SIBFC植入到脊椎后，即使是微小的迁移也能被检测到。
图1（A）高温激光选区烧结方式将超顺磁Fe3O4组分整合到椎间融合器中的示意图。（B-C）实时监测SIBFC在脊椎内移动的示意图。
图2（A）SIBFC实物图。（B）SIBFC进行CT扫描的示意图。（C）SIBFC横截面内PEEK和Fe3O4组分分布。（D）依据ASTM F2077得到的SIBFC力学性能。（E，F）依据ASTM F2267得到的SIBFC在模拟椎骨内的力学性能以及经历压缩测试后的SIBFC和聚氨酯夹具的光学照片。
2. 静态位置监测
在临床中，椎间融合器在水平椎骨平面发生2 mm迁移即被判定为移位，这需要患者在康复过程中特殊注意。在这里，我们将椎间融合器植入的椎骨平面划分为12个区域（A1-C4），来表示椎间融合器迁移到不同位置。通过对SIBFC进行精确的位置移动并和磁场检测值进行比对来区分SIBFC在空间中移动时的特征信号。
图3（A-C）SIBFC植入到脊椎中的模型
以及实时检测系统的示意图。（D）椎骨平面被划分为12个区域以代表不同程度的椎间融合器迁移。（E-G）椎间融合器在椎骨平面内移动时，其对应的三维磁场分量的变化。
表1 当SIBFC移动时其对应的三维磁场分量的变化
3. 理论推导
通过实际三维磁场测量和Ansys Maxwell模拟对SIBFC周围空间磁场进行了模拟，SIBFC会致使空间磁场的磁力线等高线发生偏移，进而被磁力计监测到。
图4（A）SIBFC移动到椎骨不同方向示意图，（B）SIBFC周围空间磁场分布图实际测量值。（C）SIBFC周围空间磁场模拟分布图。（D-F）当SIBFC移动到对应区域时实际三维磁场分量变化值。（D1-F1）当SIBFC移动到对应区域时模拟得到的空间磁场分布。
4. 动态测试-弯腰和转身
在垂直椎骨平面发生3 mm位移时即被判定为发生沉降，这和椎间融合器在椎骨水平面内发生迁移都是值得注意的。通过不同的弯腰角度测试可以检测到SIBFC在脊椎内发生水平面后退以及垂直面沉降。
图5（A）SIBFC跟随脊椎运动的模型图。（B）SIBFC在脊椎内的不同位置。（C-E）不同弯腰角度以及不同SIBFC位置对应的空间三维磁场分量的变化。（F-G）判定SIBFC发生迁移和沉降的准则。（H-L）实时检测策略的示意图以及在不同弯腰角度时通过磁力计的磁通量变化。
图6（A-C）转身时SIBFC在脊椎内不同的位置对应的三维磁场分量实时变化曲线以及统计图。（D-F）扭腰过程中通过磁力计的磁通量变化。
作者简介
Author Biography
闫春泽
华中科技大学二级教授、博导，国家高层次人才，现担任材料成形与模具技术全国重点实验室主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任、湖北省增材制造技术国际科技合作基地主任等职务；国际期刊Journal of Materials Processing Technology、Smart Manufacturing、Journal of Micromechanics and Molecular Physics和Advanced Manufacturing副主编（Associate Editor），以及Materials Science in Additive Manufacturing和Materials编委（Editorial Board Member）；以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Acta. Mater.、Adv. Sci.、Nano Today、ACS Appl. Mater. Inter.等期刊发表SCI收录论文70余篇，SCI他引7000余次。
苏 彬
华中科技大学材料科学与工程学院博士生导师。“华中卓越学者计划”特聘岗；国家海外高层次人才引进计划青年项目获得者；澳大利亚研究委员会早期职业研究员奖（ARC-DECRA）获得者。主要从事仿生柔性磁电材料体系及应用的研究。
李翌珂
华中科技大学材料科学与工程学院在读硕士生，本科就读于东北大学冶金工程专业。主要研究方向为柔性磁电传感器，物联网人体健康监测。以第一作者在Additive Manufacturing，Advanced Engineering Materials发表研究型文章，获得中国授权专利两项，美国授权专利一项。
陈 鹏
华中科技大学材料科学与工程学院在读博士生。主要研究方向为柔性磁电式医疗器械。
转自：“蔻享学术”微信公众号
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