一种新型复合支架植入犬股骨后的CBCT测量分析*

薛浩 后军

骨结合是种植体稳定和长久的基础。对种植体表面进行处理是增加骨结合的有效手段。随着3D打印技术的迅速发展，可以个性化设计出具有特殊表面结构的植体，并个性化打印。3D打印多孔钛种植体表面具有均匀可控的多孔结构，同时，成型精度高、重复性好和具有良好的机械性能。海藻酸钠（SA）是从天然褐藻里提取的一种多糖，具有良好的生物相容性和可降解性，SA溶液遇到二价的金属离子会生成凝胶，经过冻干技术可形成具有三维结构的支架[1]。通过将无机生物材料掺入到SA支架中可有效克服其机械性能差的缺陷，羟基磷灰石（HA/HAP，以下均简写为HA）是人体硬组织（骨和牙齿）的无机相成分，HA材料能够模仿骨的天然胞外基质并促进骨和软骨细胞的粘附，具有良好的生物相容性和骨传导性[2]。

本研究中，在3D打印多孔钛表面均匀孔隙中加载SA/HA复合微支架结构，然后经体内动物实验和CBCT扫描，通过对这种复合支架结构周围骨密度值的测量分析，研究这种特殊支架结构对成骨的影响。

资料与方法

1多孔钛制备和分组

使用SolidWorks2016软件设计有孔试件的三维模型（参数：直径D=10mm，高度H=2mm，内孔直径d=500μm，高度h=1mm）。选择性激光烧结制备出试件60枚，其中无孔钛片20枚（对照组，记作NPO组），有孔钛片40枚，有孔钛片中随机选取20枚作为多孔组（阴性对照组，记作PO组），剩下20枚作为加载组（实验组，记作LPO组）。三组分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声震荡各15分钟，干燥备用。

2加载SA/HA微支架

首先，取3.0gSA粉末在70℃去离子水中溶解成溶液，称取1.0g缓释剂一（乙二胺四乙酸二钠钙）溶解在SA溶液中，置于搅拌机中均匀搅拌1小时。加入1.0gHA粉末（SA：HA=3:1），均匀混合搅拌1小时。最后，加入缓释剂二（葡萄糖酸内酯）1.0g，搅拌均匀后，将所得混合物均匀覆盖在载有LPO组钛试件的孔板中，然后，将孔板迅速置于真空压力泵中，真空状态下持续24小时，利用持续的负压作用，使加载组钛试件孔隙中充满SA/HA混合悬浊液。去除试件表面多余凝胶，小心将试件置于-20℃冰箱中过夜，然后再置于-80℃冷冻干燥机中冻干24小时，最后形成孔隙中均匀充满SA/HA微支架的复合支架结构。

3表面分析采用

SEM对三组支架表面形貌进行观察，同时，通过XPS检测三组试件表面的元素组成。

4手术

6只比格犬术前12小时禁食，手术前2小时肌肉注射青霉素（40万u/d），术中行速眠新（0.08ml/kg）和戊巴比妥钠（0.8ml/kg）复合麻醉。分别对四肢股骨区域进行备皮，消毒，铺巾，切开表皮并分离筋膜和肌肉，暴露出支架植入区域股骨，支架植入区域位于后肢股骨髁部近心端，生理盐水冷却，使用直径为10mm的空心环柱形骨锯和慢速直机配球钻进行种植窝预备，预备完成后，分别植入三组钛试件（分别在各组中随机抽取5枚），分层严密缝合。术后，抗生素(头孢唑啉，20毫克/公斤)在术后3天内进行了注射，伤口每天消毒。在整个术后的康复期里，严密观察比格犬的恢复状况和术区感染情况。股骨种植区暴露如图1所示。

图1 植入复合支架

5骨密度测量术后1、3、6月，在麻醉状态下，对每支实验犬进行CBCT扫描，应用自带的Simplant软件对三组支架与犬股骨接触区域进行骨密度值的测量。每个标本选择3个矢状截面，层厚0.5mm，每个截面测量单位面积（1.00mm2）支架两端和中间3个位点的骨密度值，取平均值进行比较。如图2所示。

图2 骨密度测量示意图

6统计学方法

采用SPSS 17.0软件进行统计学分析，计量资料数据以均数±标准差（±s）表示。对同一时间点数据采用单因素方差分析，组间比较采用SNK检验，检验水准双侧ɑ=0.05。

结果

1 表面形貌

采用SEM检查，可以观察到：NPO组（图3A，3D）表面呈现出无设计的3D打印的表面钛合金表面形貌，不规则粗糙，可见未熔融金属颗粒；PO（图3B，3E）组可见均匀规则的孔隙，孔隙内无加载；LPO（图3C，3F）组试件表面同样可见均匀规则孔隙，孔隙中均匀分布着不规则互相连通的多孔支架结构，支架周围与多孔钛内壁相连，支架孔隙的孔径范围从20到200μm不等，支架表面可见白色HA颗粒，均匀分布。

图3 三组试件在SEM下表面形貌图

2 表面元素分析

图4 X射线光电子能谱

XPS检测分析元素组成如图所示：三组均含有C，N，O元素，NPO和PO组表面元素和曲线一致；LPO组较其他两组，N，O元素峰值显著增高。说明实验组加载了含N，O元素的HA/SA微支架结构。

3 骨密度测量

术后3月，三组支架材料CBCT测量值在某个矢状截面的数值如图5所示，各时间点三组钛支架表面骨密度测量均值如表1所示，经统计学分析发现LPO组骨密度均值明显大于NPO和PO组，三组两两比较差异具有统计学意义（P＜0.05）。

图5 骨密度测量

表 1 三组植入支架表面骨密度值（HU，±s）

表 1 三组植入支架表面骨密度值（HU，±s）

与NPO组比较：*P＜0.01；与PO组比较#P＜0.05。

组别 例数HU 1 3 6 NPO 5 730.25±211.45 975.67±168.59 1014.75±138.37 PO 5 980.75±251.85* 1193.89±251.93* 1251.67±231.47*LPO 5 1146.12±209.33*# 1493.78±165.17*# 1620.33±171.82*#

讨论

理想的种植体在与周围组织发生反应后不能导致机体组织的继发性改变，其表面微观形貌应有利于毛细血管的新生和与骨组织形成良好的机械锁结作；同时，必须具有一定机械强度及与界面骨组织相近的弹性模量，以便承受咬合力和将力均匀分散。理想的种植体必须具有理想的生物相容性，表面形貌还应具备在植入体内后有利于蛋白的快速吸附，细胞的粘附、增殖、分化，以及具有骨诱导作用以缩短界面骨结合时间，同时应具有良好的抗腐蚀性能[3，4]，可以阻止细菌在表面附着，同时提供生物活性因子。通过对种植体表面的处理改性，在表面形成具有诱导骨组织的形成和达到生物化学结合的生物活性膜或涂层。关于种植体的表面处理，前人尝试过各种方法，如传统机械加工的光滑表面，HA和壳聚糖表面涂层，钛离子喷涂处理，喷砂、酸蚀处理，微弧氧化和激光表面处理等[5-7]。

选择性激光烧结是3D打印技术中的一种，它通过纤维激光逐层熔化烧结金属粉末从而得到所想要的物体结构。这种新兴技术能够设计出任意尺寸和内部结构，同时避免了化学污染，实现了个性化定制[8-10]。

HA材料能够模仿骨的天然胞外基质并促进骨和软骨细胞的粘附，具有良好的生物相容性和骨传导性。藻酸盐及其与HA的复合支架在生物医学中表现出极好的应用，由于藻酸盐支架缺乏足够机械强度来模拟骨的天然功能，它与无机材料如HA结合以增强强度以及骨组织形成。支架在骨组织工程中的理想作用是通过机械强度，细胞增殖和内壁表面形态为新的骨组织生长提供最佳条件。Luo Yet等[11]通过3D绘图技术和原位矿化制造的具有HA层的藻酸盐/纳米HA复合支架，有助于细胞附着和铺展，支持蛋白质释放。Yan Jet等[12]设计研究出可注射SA/HA凝胶支架结合明胶微球用于药物递送和释放及成骨实验研究。Wang Qet等[13]通过3D打印出Atsttrin/nHA支架，通过干预TNF/TNFR促进骨缺损再生，研究发现该结构精确，抗炎，促进成骨。

真空冷冻干燥技术的原理是先将原始物料冷冻起来，使富含水分的部分凝结形成冰块，接着在真空条件下，通过升华作用使物料达到干燥目的。该技术降低了物料的氧化变质，灭除物料中的细菌，物料原本的外形能得到很好的保留，并保证了品质[14，15]。本实验采用选择性激光烧结技术，通过软件设计并打印出具有均匀孔隙的多孔钛支架结构，钛合金试件表面及孔隙表面具有微粗糙度，对成骨细胞粘附起促进作用。通过冷冻干燥技术，在孔隙中加载SA/HA微支架，获得更适合成骨细胞长入的微孔隙结构，利用微支架良好的生物相容性和骨传导性，促进新骨的形成和长入。通过CBCT对支架与骨结合处骨密度值的扫描测量，发现加载SA/HA微支架的实验组获得了更高的骨密度均值，在支架周围形成更多的新骨。

综上所述，3D打印多孔钛表面孔隙中加载SA/HA微支架结构具有良好的生物相容性和骨诱导性，可以促进新骨的形成和长入。为后期3D打印种植体的研究具有促进作用，具有广阔的应用前景。