周鵬，趙輝，吳宇黎，吳海山，陳宜，丁喆如

(上海長(zhǎng)征醫(yī)院，上海200003)

鈦合金假體表面涂層微孔孔徑和孔隙率對(duì)骨整合的影響

周鵬，趙輝，吳宇黎，吳海山，陳宜，丁喆如

(上海長(zhǎng)征醫(yī)院，上海200003)

目的 探討鈦合金假體表面涂層微孔孔徑和孔隙率對(duì)骨整合的影響。方法 采用3D打印技術(shù)打印3種不同微孔孔徑和孔隙率的鈦合金假體，第一種假體表面微孔孔徑(260.5±34.5)μm、孔隙率68.1%，第二種孔徑(553.2±16.7)μm、孔隙率79.2%，第三種孔徑(749.8±15.0)μm、孔隙率89.0%，分別標(biāo)記為a、b、c型假體。選擇新西蘭大白兔27只，隨機(jī)分為A、B、C組各9只，分別將a、b、c型假體植入兔股骨髓腔。術(shù)后4、8、12周，每組隨機(jī)處死3只，通過Micro CT掃描觀察各組成骨情況并測(cè)量骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)、組織礦物密度(TMD)，通過拔出試驗(yàn)檢測(cè)各組最大拔出力。結(jié)果 術(shù)后4周，各組內(nèi)植物均在位，微孔內(nèi)及周圍呈低信號(hào)，無明顯沉積骨質(zhì)；拔出標(biāo)本僅遠(yuǎn)端有少量未成熟骨質(zhì)，表面多覆蓋纖維結(jié)締組織及陳舊血凝塊，處理標(biāo)本時(shí)可輕易洗去；三組BV/TV、TMD及最大拔出力比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。術(shù)后8周，各組微孔內(nèi)及周圍均見部分中密度影，為未成熟骨質(zhì)，A組相對(duì)較多；三組拔出標(biāo)本遠(yuǎn)端均有明顯骨質(zhì)覆蓋，A組假體體部表面可見沉積骨質(zhì)；三組間BV/TV、TMD比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，但A組最大拔出力明顯高于B、C組(P均<0.05)。術(shù)后12周，各組微孔內(nèi)及周圍均見高密度影，為沉積骨質(zhì)，且伸入微孔內(nèi)部，形成鎖結(jié)，A組多于B、C組，無明顯骨溶解；A組整個(gè)假體表面均勻覆蓋較多骨質(zhì)，B、C組遠(yuǎn)端和近端可見明顯沉積骨質(zhì)，但少于A組；A組BV/TV、TMD明顯高于B、C組(P均<0.05)；最大拔出力A組>B組>C組，組間兩兩比較P均<0.05。結(jié)論 鈦合金假體表面涂層微孔孔徑226～295 μm、孔隙率68.1%有利于促進(jìn)骨整合，并具有較好的生物力學(xué)性能。

全髖關(guān)節(jié)置換；人工假體；關(guān)節(jié)假體深層；微孔；骨整合；3D打印技術(shù)；兔

全髖關(guān)節(jié)置換是治療各種終末期髖關(guān)節(jié)疾病的可靠手段，長(zhǎng)期隨訪效果滿意，但部分患者仍然會(huì)出現(xiàn)無菌性松動(dòng)，需要進(jìn)行二期翻修。生物型全髖關(guān)節(jié)置換患者的遠(yuǎn)期預(yù)后與假體的骨整合程度密切相關(guān)，對(duì)假體的表面進(jìn)行物理修飾(即制作粗糙面)可促進(jìn)骨整合。但傳統(tǒng)工藝制作的微孔大小不均，對(duì)骨整合最有利的微孔孔徑和孔隙率還存在爭(zhēng)議。3D打印技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的制造業(yè)，其首先用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，再以“增材制造”的方式完美復(fù)原所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，可精確制作不同微孔孔徑和孔隙率的假體表面涂層。2016年8～12月，我們利用3D打印技術(shù)精確構(gòu)建鈦合金假體表面微孔涂層，并觀察涂層微孔孔徑和孔隙率對(duì)骨整合的影響，旨在探索最有利于骨整合的微孔參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料 選擇健康雄性新西蘭大白兔27只，7～8月齡，體質(zhì)量2.5～3.0 kg，購(gòu)自浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院。飼養(yǎng)環(huán)境：溫度20～25 ℃，相對(duì)濕度40%～70%，自由攝食、飲水。骨科手術(shù)器械，上海醫(yī)療器械有限公司；WDW-10A型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，常州三豐儀器科技有限公司；X-5000型顯微CT(Micro CT)，美國(guó)NSI公司；M2型3D金屬打印機(jī)，德國(guó)Concept Laser公司；EVO18型掃描電鏡，德國(guó)ZEISS公司。

1.2 3D打印假體設(shè)計(jì)制作 參考預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用ProE軟件設(shè)計(jì)長(zhǎng)4.85 cm、直徑3.5 mm的圓柱體，遠(yuǎn)端1.35 cm表面為光滑區(qū)域，近端3.5 cm表面為不同孔徑、孔隙率的微孔涂層，光滑區(qū)域預(yù)留直徑1.5 mm的圓孔。文件轉(zhuǎn)化為STL格式，導(dǎo)入3D打印機(jī)，使用Ti-6Al-4V粉末進(jìn)行打印，最終精確構(gòu)建出三種具有均勻大小微孔涂層的鈦合金假體。經(jīng)掃描電鏡軟件測(cè)量其表征，第一種假體表面微孔孔徑(260.5±34.5)μm、孔隙率68.1%，第二種孔徑(553.2±16.7)μm、孔隙率79.2%，第三種孔徑(749.8±15.0)μm、孔隙率89.0%，分別標(biāo)記為a、b、c型假體。

1.3 兔股骨假體植入骨整合模型建立 所有大白兔在動(dòng)物房環(huán)境中適應(yīng)性飼養(yǎng)6天，隨機(jī)分為A、B、C組，每組9只。A、B、C組分別于股骨植入a、b、c型假體。具體步驟：三組均采用1%戊巴比妥鈉3 mL/kg耳緣靜脈注射麻醉，仰臥固定于無菌手術(shù)臺(tái)上，常規(guī)鋪巾；取膝關(guān)節(jié)前正中縱行切口，沿髕骨和髕腱內(nèi)側(cè)緣切開，髕骨翻向外側(cè)，顯露膝關(guān)節(jié)；屈曲膝關(guān)節(jié)，直視下確定股骨髁間凹前交叉韌帶(ACL)附著點(diǎn)處，于ACL止點(diǎn)上約3 mm處用直徑3.5 mm鉆頭開口，擴(kuò)髓，生理鹽水沖洗，探查無明顯骨折；取3D打印鈦合金假體沿股骨縱軸敲入，尾端埋入關(guān)節(jié)面內(nèi)；活動(dòng)膝關(guān)節(jié)見活動(dòng)度良好，生理鹽水徹底沖洗，縫合關(guān)節(jié)囊，全層縫合皮膚。術(shù)后保溫至麻醉蘇醒后，放回籠中分開飼養(yǎng)，肌注青霉素160萬U/d，連續(xù)3天。分別于術(shù)后第4、8、12周隨機(jī)取出3只，處死后完整取出雙側(cè)股骨行相關(guān)指標(biāo)觀察。

1.4 骨整合指標(biāo)檢測(cè)

1.4.1 成骨情況及骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)、組織礦物質(zhì)密度(TMD) 采用X-5000型Micro CT掃描各組標(biāo)本，觀察各組成骨情況。掃描參數(shù)：電壓80 kV，電流300 μA，聚焦點(diǎn)24 μm，延遲30 ms，放大27.93倍。設(shè)金屬部件最遠(yuǎn)端1 cm的區(qū)域?yàn)楦信d趣區(qū)(ROI)，測(cè)量BV/TV(閾值二值化后骨體積占總體積的比例)、TMD(當(dāng)前ROI內(nèi)閾值二值化后被認(rèn)定為骨骼部分的骨密度)。

1.4.2 最大拔出力 采用WDW-10A微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)各組標(biāo)本進(jìn)行拔出試驗(yàn)。所有標(biāo)本小心清除股骨髁部骨質(zhì)，顯露假體遠(yuǎn)端光滑部分，貫通預(yù)留孔，整個(gè)過程避免假體在軸向和側(cè)方受力；將自凝牙托粉與牙托水混合，進(jìn)入面團(tuán)期后灌入定制鋁合金管內(nèi)，將股骨插入，保持股骨縱軸與地面水平線垂直，并防止牙托粉黏附在假體表面；牙托粉堅(jiān)硬期過后，預(yù)留孔內(nèi)穿入直徑1 mm鋼絲繩，并將鋼絲繩和定制鋁合金管與電子萬能試驗(yàn)機(jī)兩端夾具相連接，以0.1 mm/s速度進(jìn)行加載，行拔出試驗(yàn)，觀察拔出標(biāo)本的骨整合情況；采用自帶軟件描記應(yīng)力-時(shí)間曲線，其峰值即為最大拔出力。

2 結(jié)果

2.1 各組成骨情況及BV/TV、TMD比較 術(shù)后4周，各組內(nèi)植物均在位，微孔內(nèi)及周圍呈低信號(hào)，無明顯沉積骨質(zhì)；術(shù)后8周，各組微孔內(nèi)及周圍均見部分中密度影，為未成熟骨質(zhì)，A組相對(duì)較多；術(shù)后12周，各組微孔內(nèi)及周圍均見高密度影，為沉積骨質(zhì)，且伸入微孔內(nèi)部，形成鎖結(jié)，A組多于B、C組，無明顯骨溶解。各組不同時(shí)間BV/TV、TMC比較見表1。

表1 各組不同時(shí)間BV/TV、TMC比較

注：與同組術(shù)后4周比較，*P<0.05；與同組術(shù)后8周比較，#P<0.05；與B、C組同時(shí)間比較，△P<0.05。

2.2 各組拔出標(biāo)本骨整合情況及最大拔出力比較 術(shù)后4周，三組拔出標(biāo)本僅遠(yuǎn)端有少量未成熟骨質(zhì)，表面多覆蓋纖維結(jié)締組織及陳舊血凝塊，處理標(biāo)本時(shí)可輕易洗去；術(shù)后8周，三組拔出標(biāo)本遠(yuǎn)端均有明顯骨質(zhì)覆蓋，A組假體體部表面陸續(xù)出現(xiàn)沉積骨質(zhì)；術(shù)后12周，A組整個(gè)假體表面均勻覆蓋較多骨質(zhì)，B、C組遠(yuǎn)端和近端可見明顯沉積骨質(zhì)，均較前增多，但少于A組。各組不同時(shí)間最大拔出力比較見表2。

表2 各組不同時(shí)間最大拔出力比較

注：與同組術(shù)后4周比較，*P<0.05；與同組術(shù)后8周比較，#P<0.05；與C組同時(shí)間比較，△P<0.05；與B組同時(shí)間比較，▲P<0.05。

3 討論

人工全髖關(guān)節(jié)置換治療終末期髖關(guān)節(jié)疾病臨床療效滿意可靠，可即刻消除關(guān)節(jié)疼痛、恢復(fù)關(guān)節(jié)的正?；顒?dòng)功能，被稱為二十世紀(jì)醫(yī)學(xué)史上最成功的手術(shù)之一[1]。對(duì)于相對(duì)年齡較小、骨量較好患者，多傾向于采用生物型的固定方式，其遠(yuǎn)期預(yù)后跟假體與骨界面的骨整合情況密切相關(guān)[2]。因此，通過對(duì)假體材料表面處理和修飾，提高假體內(nèi)植物與周圍骨整合性能已經(jīng)成為骨科內(nèi)植物材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3～5]。

假體表面化學(xué)修飾主要是指在表面沉積鈣磷酸鹽涂層，但存在成分不穩(wěn)定、涂層易剝脫、潛在感染風(fēng)險(xiǎn)等缺陷。因此，目前研究多集中于物理修飾，即采用各種方法使假體表面粗糙化，構(gòu)建出納米級(jí)或微米級(jí)的微孔。雖然納米級(jí)的微孔也能促進(jìn)成骨基因表達(dá)以及骨質(zhì)在假體表面的沉積，但不同于臨床上要求的“骨長(zhǎng)入”，這種現(xiàn)象被稱為“骨長(zhǎng)上”[6]，不能與假體形成有效的機(jī)械鎖結(jié)，故目前的研究主要聚焦于構(gòu)建微米級(jí)的微孔。多孔鈦金屬假體的傳統(tǒng)制作方法主要有松裝燒結(jié)法、陽(yáng)極氧化法、有機(jī)泡沫浸漬法、漿料發(fā)泡法、固態(tài)發(fā)泡法、自蔓延高溫?zé)Y(jié)法、等離子噴涂法等，各有優(yōu)勢(shì)，但共同的缺陷是制作的微孔分布不均勻、孔徑大小不一。目前，對(duì)于何種孔徑參數(shù)最有利于骨整合還存在爭(zhēng)議。Doi等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在牙科植入材料表面分別覆蓋孔隙率44%、48%的鈦網(wǎng)修復(fù)犬齒，表面覆蓋孔隙率48%的植入材料，植入第2、4周均觀察到更多的新骨形成。Vasconcellos等[8]采用粉末燒結(jié)法將三組不同孔徑(180、300、180 μm)和孔隙率(30%、30%、40%)的內(nèi)植物植入家兔脛骨，術(shù)后8周時(shí)180 μm孔徑、40%孔隙率假體新骨沉積明顯優(yōu)于180 μm孔徑、30%孔隙率假體，說明在這個(gè)范圍內(nèi)增加孔徑和孔隙率有利于成骨。Torstrick等[9]制造了三組表面微孔孔徑分別為(284±35)、(341±49)、(416±54)μm的椎間融合器，與光滑椎間融合器相比，這三種微孔椎間融合器均能促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化，推測(cè)直徑200～508 μm的微孔可能是理想的孔徑參數(shù)。受制造工藝精度的限制，產(chǎn)生最大骨整合效能的具體孔徑和孔隙率目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

3D打印技術(shù)主要通過激光選擇性熔化技術(shù)(SLM)或電子束熔化技術(shù)(EBM)來實(shí)現(xiàn)。由于EBM所使用的粉末顆粒相對(duì)較大，制作精度低，故本研究選用了SLM技術(shù)。盡管金屬粉末在熔化過程中會(huì)黏附周圍粉末，有一定誤差，但前期研究表明將誤差控制在3%左右仍為目前最精確的制造方法。骨長(zhǎng)入對(duì)孔徑的最低要求為100 μm，孔徑為100～600 μm最有利于骨長(zhǎng)入[10]。劉邦定等[11]設(shè)計(jì)了孔徑為1、2、3 mm的大孔徑部件，植入18只犬的股骨外側(cè)髁，發(fā)現(xiàn)隨著孔徑的逐漸增大，成骨反而越來越少。因此，隨著孔徑的增大，成骨效應(yīng)會(huì)有一個(gè)極點(diǎn)，并不是孔徑越大越好。本研究按梯度設(shè)計(jì)了三種鈦金屬假體，假體表面所有微孔設(shè)計(jì)為正八面體結(jié)構(gòu)，孔徑大小為正八面體內(nèi)切球的直徑，旨在尋求相對(duì)最佳孔徑參數(shù)。

髖關(guān)節(jié)處建立骨整合模型的影響因素較多，對(duì)涂層要求亦較多。因此，本研究選擇于膝關(guān)節(jié)處建立鈦合金假體植入的骨整合模型，以減少其他因素對(duì)骨整合模型的影響，并利于操作。本研究結(jié)果顯示，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，各組骨整合越好，以假體表面微孔孔徑(260.5±34.5)μm、孔隙率68.1%效果最佳。微孔涂層促進(jìn)骨整合的機(jī)制可能為：①多孔涂層增加了假體表面接觸面積，有利于細(xì)胞黏附、增殖及分化；②構(gòu)建的多孔分布均勻，絕對(duì)連通，有利于氧氣及營(yíng)養(yǎng)成分的流動(dòng)更新；③多孔結(jié)構(gòu)摩擦力大，有利于獲得較好的初始穩(wěn)定性，骨質(zhì)沉積入微孔能形成足夠強(qiáng)大的三維機(jī)械鎖結(jié)，形成理想的骨整合狀態(tài)。本研究還發(fā)現(xiàn)，拔出標(biāo)本的骨質(zhì)沉積多在遠(yuǎn)端，其次為近端髁部，均為接觸骨質(zhì)的一側(cè)，這可能與假體遠(yuǎn)端在股骨峽部與骨質(zhì)接觸緊密，近端在髁部相對(duì)穩(wěn)定，且血運(yùn)豐富有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，微動(dòng)超過220 μm、間隙超過50 μm時(shí)，界面會(huì)形成纖維連接，不利于骨整合[12]。提示臨床行全髖關(guān)節(jié)置換時(shí)獲得初始穩(wěn)定性尤為重要。本研究還發(fā)現(xiàn)，骨形態(tài)學(xué)測(cè)量和最大拔出力并不完全對(duì)應(yīng)，骨形態(tài)學(xué)測(cè)量無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異時(shí)最大拔出力卻出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說明孔徑和孔隙率的逐漸增大，對(duì)生物力學(xué)的影響大于對(duì)局部成骨反應(yīng)的影響。通過構(gòu)建微孔增加假體摩擦力、降低彈性模量的同時(shí)，也降低了抗壓能力、抗剪切力，雖然微孔內(nèi)沉積了骨質(zhì)，但不能形成足夠多、足夠強(qiáng)大的機(jī)械鎖結(jié)，依然無法獲得較好的穩(wěn)定性。本研究C組部分拔出標(biāo)本近端末梢部分微孔已經(jīng)塌陷，可能是在動(dòng)物造模時(shí)將假體打入髓腔所致，故當(dāng)孔隙率接近90%時(shí)，此種類型的微孔已不能滿足內(nèi)植物的力學(xué)性能要求。應(yīng)力刺激亦是影響骨整合的重要因素之一[13]。Branemark等[14]建議，在實(shí)現(xiàn)骨質(zhì)愈合前無載荷，但這僅是基于經(jīng)驗(yàn)所提出的。樊瑜波等[15]將鈦釘植入山羊脛骨，并給予不同大小的軸向載荷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)給予10 N載荷骨整合情況優(yōu)于無載荷和給予20、30 N載荷，并認(rèn)為合理范圍內(nèi)的軸向載荷可能有利于骨整合，與Branemark等[14]觀點(diǎn)相悖。因?yàn)闆]有專門為動(dòng)物設(shè)計(jì)的髖關(guān)節(jié)假體，且施加力學(xué)載荷需長(zhǎng)期制動(dòng)，本研究未將力學(xué)載荷因素納入考量范圍，后期可另行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探討不同力學(xué)載荷對(duì)3D打印鈦合金假體表面微孔涂層整合的影響。

綜上所述，全髖關(guān)節(jié)置換假體表面涂層微孔孔徑226～295 μm、孔隙率68.1%有利于促進(jìn)骨整合，并具有較好的生物力學(xué)性能。本研究鈦金屬假體設(shè)計(jì)和手術(shù)方式均最大限度模擬臨床，且未進(jìn)行沉積羥基磷灰石或負(fù)載其他生物活性因子的化學(xué)改性，排除了混雜因素，單純?cè)u(píng)價(jià)微孔涂層對(duì)骨整合的影響具有一定參考意義。今后可在單個(gè)假體上行隨機(jī)微孔設(shè)計(jì)，進(jìn)一步從仿生學(xué)角度觀察微孔對(duì)骨整合的影響，以便更好地指導(dǎo)假體設(shè)計(jì)。

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Effect of porous coating of titanium alloy prosthesis with different pore size and porosity on osseointegration

ZHOUPeng,ZHAOHui,WUYuli,WUHaishan,CHENYi,DINGZheru

(ShanghaiChangzhengHospital,Shanghai200003,China)

Objective To study the effect of porous coating of titanium alloy prosthesis with different pore size and porosity on osseointegration. Methods Three kinds of titanium alloy prosthesis with different porous surface were manufactured by 3D printing technology. The micropore diameter and the porosity was (260.5±34.5) μm and 68.1% in type a, (553.2±16.7) μm and 79.2% in type b, and (749.8±15.0) μm and 89.0% in type c. Twenty-seven New Zealand white rabbits were randomly divided into three groups, which were group A, group B and group C, and three kinds of prostheses were implanted into the femoral medullary cavity of rabbits. Three rabbits of each group were randomly sacrificed at the end of the fourth, eighth, twelfth weeks after operation. Micro-CT were taken to observe the condition of bone formation of each group, while bone volume fraction (BV/TV) and tissue mineral density (TMD) were measured by Micro-CT, the peak pull-out load of each group was measured by pull-out testing. Results At the fourth week after operation, all of the prostheses were in good position, the area within and around pores showed low signal, and no obvious bone formation was found. Distal parts of prostheses were only covered by little immature osteoid, but most of it was fibrous connective tissue and oboslete blood clot which could be washed away easily. The BV/TV, TMD and peak of pull-out load showed no statistical difference between any two groups (allP>0.05). At the eighth week after operation, the area within and around pores showed medium signal, which was immaturate osteoid, and especially in the group A, which was more than the other two groups. Distal pull-out specimens were all covered by bone in the three groups, and the middle of prostheses of group A also showed bone deposition. The BV/TV and TMD showed no statistical difference between any two groups, but the peak pull-out load of group A was higher than that of group B and group C (allP<0.05). At the twelfth week after operation, the area within and around pores all appeared high density shadow, which was bone deposition, and formed locking junction in three dimension, group A was more than group B and group C, no obvious osteolysis was found. All the parts of prostheses of group A were evenly covered by a lot of bone, the distal and proximal prostheses of group B and group C appeared significant bone formation, but less than that of group A. The BV/TV and TMD of group A was significant higher than that of group B and group C (P<0.05), the peak pull-out load showed statistical difference between every two groups (allP<0.05), and the sequence from high to low was: group A, group B, and group C. Conclusion The porous coating of titanium alloy prosthesis with pore size of 226-295 μm and porosity of 68.1% is the best for enhancing osseointegration, which shows good biomechanical property. Key words: total hip arthroplasty; artificial prosthesis; joint prosthesis coating; micropore; osseointegration; 3D printing technology; rabbits

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(15ZZ039)。

周鵬(1983-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殛P(guān)節(jié)外科疾病的診斷與治療。E-mail： zhoupeng6141@163.com

吳海山(1963-)，男，主任醫(yī)師、教授，研究方向?yàn)槿斯りP(guān)節(jié)置換、關(guān)節(jié)鏡外科及運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)。E-mail： drisland@vip.sina.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.16.004

R687.3

A

1002-266X(2017)16-0012-04

2017-02-05)