醫(yī)用鈦合金植入材料生物相容性改進方法及對成骨影響的研究.pdf

1、隨著新型醫(yī)用鈦合金植入材料不斷應(yīng)用于臨床，解決了以往許多難以解決的問題，特別在骨科領(lǐng)域中，作為骨內(nèi)植入體和硬組織修復(fù)材料的醫(yī)用鈦合金植入材料得到了廣泛的臨床應(yīng)用。但是對于生物有機體而言，醫(yī)用金屬植入材料畢竟還是異物，其在物理和化學(xué)性能方面與體內(nèi)環(huán)境還存在著巨大的區(qū)別。在現(xiàn)實的骨科臨床應(yīng)用中，這種金屬材料自身性質(zhì)的差異往往會帶來很嚴(yán)重的問題。為了解決這些問題，人們開始著手研究如何提高醫(yī)用鈦合金植入材料的生物相容性，使植入體能夠與周圍的骨組

2、織形成穩(wěn)定的生物結(jié)合，保證植入體的近、遠期效果。
　　對于骨科而言，我們所關(guān)心的植入金屬材料生物相容性主要包括：材料與宿主之間的生物力學(xué)、物理化學(xué)方面的相互作用。表現(xiàn)為材料與宿主直接或間接接觸時涉及組織接受與定向結(jié)合、應(yīng)力傳遞與分布、材料表面生物學(xué)行為等等一系列生物學(xué)行為。對于骨科而言，我們最關(guān)心材料的力學(xué)特性和表面特性。因此，本研究擬從改善鈦合金植入材料力學(xué)特性以及表面特性兩方面入手，提高材料的生物相容性，并通過動物體內(nèi)實驗的方

3、法檢測其對于成骨的影響，以驗證其生物相容性改善的情況。
　　對于材料力學(xué)特性的改善，我們選用新近研制具有國家自主知識產(chǎn)權(quán)的新型超低彈性模量鈦合金Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn，其彈性模量僅為33GPa[1]。因為根據(jù)以往的相關(guān)研究結(jié)果，彈性模量是決定金屬植入材料骨組織內(nèi)應(yīng)力是否集中的重要參數(shù)，理論上，彈性模量越低、越接近骨，引起應(yīng)力吸收的幾率就越小，不良并發(fā)癥發(fā)生的機率也就越小。在材料表面改性方面，我們選用50μm溝槽的規(guī)則微

4、形態(tài)表面。在本課題組前期進行的動物體外實驗中，我們對照觀察了多種微形態(tài)表面上成骨細胞的生長情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，50μm溝槽的規(guī)則微形態(tài)表面的細胞在生長、分化等方面均具有優(yōu)勢，所以同時作為前期體外實驗的體內(nèi)驗證性研究，我們在表面處理上選擇50μm規(guī)則微形態(tài)。
　　1.低彈性模量鈦合金髓內(nèi)針對兔脛骨骨折愈合及脛骨髓腔內(nèi)成骨的影響
　　目的：為了檢驗低彈性模量金屬植入材料對于成骨的影響，我們選擇Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn作為實

5、驗對象，選擇目前臨床最常用的鈦合金Ti-6Al-4V作為對照，在兔脛骨骨折髓內(nèi)針內(nèi)固定模型中，檢驗這兩種合金材料對于髓內(nèi)針周圍成骨及骨折愈合的影響。方法：實驗選用新西蘭大白兔15只，將Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(wt％)和Ti-6Al-4V(wt％)兩種鈦合金材料采用鑄造和機械加工的方法制成直徑為2mm、長度為85mm的圓棒，作為實驗用的髓內(nèi)針。脛骨做橫行截骨后打入髓內(nèi)針至脛骨骨髓腔以固定骨折，15只動物手術(shù)后均觀察4周。術(shù)后當(dāng)

6、日及術(shù)后各周拍脛骨正側(cè)位片，以確定內(nèi)固定位置。手術(shù)后4周時，處死15只動物，隨機選擇5只做生物力學(xué)實驗，5只拔除髓內(nèi)針后做Micro-CT實驗，5只帶髓內(nèi)針做病理學(xué)組織學(xué)觀察。其中生物力學(xué)實驗檢測髓內(nèi)針拔出力與骨折處骨痂的最大牽拉力，單位均為牛頓（N）；Micro-CT實驗測量脛骨遠端髓內(nèi)針周圍的骨密度和骨痂體積比；組織病理切片使用MMA硬組織包埋，硬組織切片，HE染色和三色染色，并進行計算機輔助的圖像分析計算骨痂面積比。數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用S

7、PSS12.0進行雙尾配對t檢驗，P值取0.05。結(jié)果：X線片示各只動物的骨折對位、內(nèi)固定位置均良好，骨折線隨時間變得逐漸模糊，骨痂量隨時間增加，基本在第三周就已經(jīng)有較明顯骨痂覆蓋骨折端。生物力學(xué)所得髓內(nèi)針拔出力試驗組與對照組分別為127.8±10.0N和110.9±7.9N，具有明顯差異（P=0.009），而兩組間骨痂最大牽拉力無明顯差別（P=0.76）。從Micro-CT所得二維和三維圖像可觀察到明顯的髓腔內(nèi)成骨，BMD與BVF兩組

8、間均有明顯差異。病理學(xué)圖像分析所得的骨痂體積比有明顯差異（P=0.00019）。結(jié)論：根據(jù)實驗所得結(jié)果，可以證實低彈性模量髓內(nèi)針內(nèi)固定的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn實驗組與Ti-6Al-4V對照組相比，在手術(shù)后的第四周，實驗組脛骨髓腔內(nèi)有較多的新骨形成，但是對于脛骨骨折愈合的影響并無差異。總之，通過本實驗可以證實，低彈性模量金屬植入材料對于周圍成骨具有明顯的促進作用。
　　2.表面規(guī)則微形態(tài)低彈性模量鈦合金植入物對于兔脛骨內(nèi)

9、成骨的影響
　　目的：結(jié)合前一實驗與本課題組前期實驗的結(jié)果，我們計劃進一步對比并驗證不同表面以及處于不同生物應(yīng)力條件下對于體內(nèi)成骨的影響。將分別帶有50μm規(guī)則微形態(tài)表面和光滑表面的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn與Ti-6Al-4V鈦合金內(nèi)植物植入兔脛骨中，觀察手術(shù)后4周時表面新骨生成的情況。方法：實驗選用新西蘭大白兔5只，將Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(wt％)和Ti-6Al-4V(wt％)兩種鈦合金材料采用鑄造和機械

10、加工的方法制成制備成長0.5cm，厚1.0mm的正方形基片，在分別加工出50μm規(guī)則微形態(tài)表面和光滑表面，作為實驗用的植入物，植入于脛骨中段。其中左側(cè)兩個開槽均放入Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn植入物，右側(cè)兩個開槽均放入Ti-6Al-4V植入物；雙側(cè)脛骨上方的兩個開槽均放入光滑表面植入物，下方的兩個開槽均放入規(guī)則微紋理表面植入物。術(shù)后當(dāng)日及術(shù)后各周拍脛骨正側(cè)位片，以確定內(nèi)固定位置。手術(shù)后4周時，處死的動物，取出脛骨標(biāo)本分別使用Mic

11、ro-CT檢測BMD與BVF；再進行組織病理學(xué)分析，MMA硬組織包埋，硬組織切片，而后進行顯微X線片觀察、白色背景光視野觀察、偏振光視野觀察以及甲苯胺蘭染色后觀察，并進行計算機輔助的圖像分析計算骨痂面積比。數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用SPSS12.0進行雙尾配對t檢驗，P值取0.05。結(jié)果：從Micro-CT所得圖像可觀察到明顯的表面成骨灰度影像，所測得的BMD與BVF進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)：在材料相同時，規(guī)則微紋理表面成骨較好，而表面相同時，低彈性模量鈦合金

12、周圍成骨情況良好，Ti-6Al-4V植入物周圍發(fā)生骨質(zhì)吸收現(xiàn)象。分別通過顯微X線片觀察、白色背景光視野觀察、偏振光視野觀察以及甲苯胺蘭染色后觀察，一方面可以證實Micro-CT所得表面灰度影像確實為骨組織影像，另一方面也再次驗證了Micro-CT截面圖中所得到的結(jié)果。甲苯胺蘭染色后，經(jīng)過圖像分析所得的骨痂體積比（BVF）與Micro-CT檢測所的結(jié)果接近。結(jié)論：根據(jù)實驗所得結(jié)果，可以證實在材料相同的前提下，50μm的規(guī)則微紋理與光滑表面