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用于臨床，解決了以往許多難以解決的問題，特別在骨科領域中，作為骨內植入體和硬組織修復材料的醫(yī)用鈦合金植入材料得到了廣泛的臨床應用。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，其在物理和化學性能方面與體內環(huán)境還存在著巨大的區(qū)別。在現(xiàn)實的骨科臨床應用中，這種金屬材料自身性質的差異往往會帶來很嚴重的問題。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)定的生物結合，保證植入體的近、遠期效果。
　　對于骨科而言，我們所關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、物理化學方面的相互作用。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合、應力傳遞與分布、材料表面生物學行為等等一系列生物學行為。對于骨科而言，我們最關心材料的力學特性和表面特性。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。
　　對于材料力學特性的改善，我們選用新近研制具有國家自主知識產權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]。因為根據以往的相關研究結果，彈性模量是決定金屬植入材料骨組織內應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針對兔脛骨骨折愈合及脛骨髓腔內成骨的影響
　　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，在兔脛骨骨折髓內針內固定模型中，檢驗這兩種合金材料對于髓內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，作為實驗用的髓內針。脛骨做橫行截骨后打入髓內針至脛骨骨髓腔以固定骨折，15只動物手術后均觀察4周。術后當

6、日及術后各周拍脛骨正側位片，以確定內固定位置。手術后4周時，處死15只動物，隨機選擇5只做生物力學實驗，5只拔除髓內針后做Micro-CT實驗，5只帶髓內針做病理學組織學觀察。其中生物力學實驗檢測髓內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)據統(tǒng)計采用S

7、PSS12.0進行雙尾配對t檢驗，P值取0.05。結果：X線片示各只動物的骨折對位、內固定位置均良好，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有較明顯骨痂覆蓋骨折端。生物力學所得髓內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成骨，BMD與BVF兩組

8、間均有明顯差異。病理學圖像分析所得的骨痂體積比有明顯差異（P=0.00019）。結論：根據實驗所得結果，可以證實低彈性模量髓內針內固定的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn實驗組與Ti-6Al-4V對照組相比，在手術后的第四周，實驗組脛骨髓腔內有較多的新骨形成，但是對于脛骨骨折愈合的影響并無差異?？傊ㄟ^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

9、成骨的影響
　　目的：結合前一實驗與本課題組前期實驗的結果，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力條件下對于體內成骨的影響。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鈦合金內植物植入兔脛骨中，觀察手術后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。其中左側兩個開槽均放入Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn植入物，右側兩個開槽均放入Ti-6Al-4V植入物；雙側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。術后當日及術后各周拍脛骨正側位片，以確定內固定位置。手術后4周時，處死的動物，取出脛骨標本分別使用Mic

11、ro-CT檢測BMD與BVF；再進行組織病理學分析，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)據統(tǒng)計采用SPSS12.0進行雙尾配對t檢驗，P值取0.05。結果：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果。甲苯胺蘭染色后，經過圖像分析所得的骨痂體積比（BVF）與Micro-CT檢測所的結果接近。結論：根據實驗所得結果，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