基于成人膝关节骨软骨复合体微结构特征参数设计仿生骨软骨支架的实验研究

陈 凡,周堉涵,毛根稳,闵文宇,蒋荣轩,刘俭涛,姬文晨,李 萌*

(1 西安交通大学第一附属医院骨科,西安 710061;2 西安医学院第一临床医学院;3 西安交通大学医学部临床医学系;*通讯作者,E-mail:limeng@xjtufh.edu.cn)

关节软骨损伤是由于创伤或老化等原因所引起的一种疾病,其发病率较高[1]。现有的治疗方案分为初级治疗、过渡治疗和最终治疗。初级治疗主要包括补充软骨基质、关节腔内注射药物、关节镜清理增生组织等方法,这些治疗措施虽然具有一定效果,但均无法达到彻底治愈的目的[2]。过渡治疗主要通过生物软骨的修复从而延缓关节晚期的蜕变,其具有一定的治疗效果,但也存在以下问题,如微骨折技术渗出的骨髓间充质干细胞在软骨缺损处虽然可以形成纤维软骨,但其生物力学性能与透明软骨仍然相差较远[3-5]。最终治疗的方法则是人工关节置换和关节融合术,这种方式虽然可以从根本上解决病人的症状,但其创伤大,花费高,且对病人的身心往往会造成严重的负担,并不是理想的治疗方式[6]。所以,寻找新的治疗方法,一直是临床工作者探索和追求的方向。

利用3D打印构建与正常骨软骨界面机械强度、结构、生物力学性能相似的骨软骨支架是解决这一问题的可行方案[7-10]。骨软骨复合体结构复杂,单一的结构设计通常不能满足骨组织缺损修复的需要,所以采用合理的设计方法使得支架具有软骨层、软骨下骨层的复合结构是目前研究的热点[11,12]。然而,现有的骨软骨支架三维结构多为简单的规则空隙,与自然松质骨骨小梁结构相差较大,这就导致长入支架空隙的新生骨不具备正常松质骨骨小梁的结构,从而导致修复部位的松质骨骨小梁应力曲线的规律性和非均匀的各向异性被破坏,进而使得修复部位的松质骨强度低于周围正常骨组织,最终导致软骨修复效果差,以及疾病复发率升高[13,14]。

所以,设计与自然骨软骨复合体的微结构相似的仿生骨软骨支架显得尤为重要,为了解决上述问题,本课题组拟对正常人体膝关节股骨端的骨组织进行多点取材,获得了软骨、软骨下骨板、松质骨骨小梁及松质骨间隙等形态计量学参数,依靠采集的数据进行了骨软骨支架数字化三维模型设计,以期为仿生骨软骨支架的制造提供详实的前期依据。

1 材料与方法

1.1 标本选取

本研究共测量了3具非骨组织疾病致死的成年人尸体,捐献者平均年龄为(53.7±3.2)岁,1具为女性,2具为男性。来自西安交通大学第一附属医院。该项目得到了西安交通大学第一附属医院医学伦理委员会的批准。充分暴露尸体左右股骨膝关节端,在双侧关节面的髌面、外侧髁及内侧髁的正中位置选取一边长为1.2 cm的正方形区域并标记,医用摆锯限深1.2 cm,沿标记线垂直于骨面切割,获得边长为1.2 cm×1.2 cm×1.2 cm的正方体骨块。三具尸体的取材方法同上,一共18个标本,保存于福尔马林溶液中备用。

1.2 软骨及软骨下骨板厚度测量

标本由微米X射线三维成像系统(Micro-CT, YXLON Y.Cheetah,德国)进行断层扫描,并导入VG Studio MAX 3.4(Volume Graphics,德国)软件进行三维重建。使用软件中几何测量模块,于各标本冠状切面等距测量6次软骨及软骨下骨板厚度,并计算不同部位标本的软骨与软骨下骨板厚度的比值。

1.3 松质骨骨小梁形态计量学参数获取

选择感兴趣区(ROI)分析体积为1 cm3的正方体骨组织,获得松质骨骨小梁形态计量学参数包括材料体积/总体积(BV/TV)、平均小梁数量(TbN)、平均小梁厚度(TbTh)、平均小梁间距(TbSp)。

1.4 松质骨间隙及其形态计量学参数获取

选择ROI反转的轮廓,获得松质骨间隙的形态计量学参数。

1.5 仿生骨软骨支架模型设计

利用VG Studio MAX 3.4软件,在重建后的骨软骨复合体三维模型中选择直径8 mm,高10 mm的圆柱体ROI,将该ROI及ROI反转的轮廓进行表面测定并渲染后,输出stl(Stereo Lithography,光固化立体造型术)文件。

1.6 统计学分析

2 结果

2.1 标本扫描截面图与重建图

Miro-CT扫描标本结果显示:关节软骨、软骨下骨板、松质骨界限清晰,未见骨组织病变。标本软骨及软骨下骨板厚度相对均一,松质骨骨小梁结构完整,未见变细或数量稀疏(见图1)。

A.标本冠状位截面图(a.关节软骨;b.软骨下骨板;c.松质骨);B.松质骨及软骨下骨板三维重建图;C.松质骨三维重建图;D.软骨下骨板三维重建图图1 标本截面及重建图Figure 1 Section and reconstruction of specimens

2.2 髌面软骨厚度、软骨下骨板厚度、软骨厚度/骨板厚度与外、内侧髁比较

髌面软骨厚度大于外侧髁、内侧髁,差异有统计学意义(P<0.05);髌面软骨下骨板厚度大于外侧髁、内侧髁,差异有统计学意义(P<0.05);髌面软骨厚度/骨板厚度小于外侧髁、内侧髁,差异有统计学意义(P<0.05,见表1)。

表1 不同部位软骨厚度、软骨下骨板厚度、软骨厚度/骨板厚度比较

2.3 髌面松质骨骨小梁形态计量学参数与外、内侧髁比较

髌面BV/TV与外、内侧髁相比,差异无统计学意义(P>0.05);髌面TbN与外、内侧髁相比,差异无统计学意义(P>0.05);髌面TbTh与外、内侧髁相比,差异无统计学意义(P>0.05);髌面TbSp与内侧髁相比,差异无统计学意义(P>0.05),髌面与外侧髁TbSp差异具有统计学意义(P<0.05,见表2)。

表2 不同部位松质骨骨小梁形态计量学参数比较

2.4 髌面松质骨间隙形态计量学参数与外、内侧髁比较

髌面BV/TV与外、内侧髁相比,差异无统计学意义(P>0.05);髌面TbN与外、内侧髁相比,差异无统计学意义(P>0.05);髌面TbTh与内侧髁相比,差异无统计学意义(P>0.05),髌面与外侧髁TbTh差异具有统计学意义(P<0.05);髌面TbSp与外、内侧髁相比,差异无统计学意义(P>0.05,见表3)。

表3 不同部位松质骨间隙形态计量学参数比较

2.5 仿生骨软骨复合支架模型设计

基于人类膝关节股骨关节面骨软骨复合体的局部微结构相关参数,使用VG Studio MAX 3.4软件进行三维重构后显示,选用骨小梁微形态计量学微参数设计出的非降解材料仿生多层生物支架模型具有与正常骨小梁一致的三维结构;选用松质骨间隙形态计量学微参数设计的可降解材料仿生多层生物支架模型,其空隙结构与正常骨小梁三维结构一致(见图2)。

图2 仿生骨软骨复合支架模型设计Figure 2 Model design of multilayer biomimetic osteochondral composite scaffold

3 讨论

近年来,不少学者对自然骨软骨复合体的生物力学性能与其微结构特征进行研究,结果表明膝关节股骨关节面的骨软骨复合体由表到里分为四层结构:关节软骨、钙化软骨、软骨下骨板和软骨下松质骨[15,16]。为达到理想的软骨修复效果,既往研究在设计骨软骨支架时,对其软骨及软骨下骨板层的分层结构进行了精细化的研究与设计[17],但忽视了不同修复部位软骨厚度及软骨下骨板的厚度差异对修复效果带来的影响。软骨层和软骨下骨板有不同的应力缓冲机制[18],应力传导至软骨层,再通过软骨下骨板进一步的缓冲和传导作用,将其分散至下方的松质骨骨小梁,这种应力应变的缓冲和分散机制非常有利于能量的吸收和缓冲[19]。本实验结果显示,膝关节股骨关节面负重区即外侧髁、内侧髁软骨厚度及软骨下骨板厚度明显小于髌面,这可能与外、内侧髁所处的生物力学环境有关,具体原因及意义,需后续进一步研究。以股骨膝关节面为例,支架的软骨及软骨下骨层材料的厚度需要根据软骨缺损部位选定,精确而合适的厚度才能获得更好的修复效果。与此同时,不同位置的软骨厚度与软骨下骨板的厚度比值差异明显,该比值可能与软骨与骨板之间的应力传递或分配有关,在支架设计时,还需将该因素考虑其中[20]。

良好的固定和支撑是软骨修复必要因素[21],在绝对尺寸缺损模型下,缺乏软骨下骨的骨软骨修复注定失败[22]。近年来,有学者设计出具有规则空隙的骨软骨支架[23-25],此类支架为软骨的再生提供了支撑与固定,并取得了较好的实验结果。但此类支架的结构与正常骨小梁相差较大,骨小梁与松质骨结构强度密切相关,由此推测,具有骨小梁结构的骨软骨支架将获得更优的修复效果。3D打印技术的发展与成熟为骨组织工程支架的设计与制造带来了新的机遇与挑战,本课题组对人类膝关节股骨关节面进行了多点取材,并应用高分辨率CT获取了松质骨骨小梁形态计量学参数。基于此,利用松质骨骨小梁形态计量学微参数,设计了具有仿生结构的非可降解支架模型,该支架形态结构与正常骨小梁一致,以仿生支架本身结构代替原有骨小梁,达到仿生的目的。同时,不同部位的微参数分析结果显示:BV/TV、TbN、TbTh三组数据与取材部位之间的差异无统计学意义,但外侧髁与髌面TbSp差异较明显,具有统计学意义,TbSp是设计支架时支架孔径的参考依据,为了提高支架的仿生性,用于修复不同缺损部位的支架,需要考虑设计不同的孔径。

本研究获取了标本骨小梁的反转轮廓——松质骨间隙模型,并测得该模型各项形态计量学微参数。根据此,本课题组设计出了具有仿生结构的可降解支架模型。理想条件下,新生骨组织会完全填充支架空隙[26],当支架完全降解后,修复部位新生骨形态结构会与原有骨小梁结构一致。尽可能使修复部位骨小梁应力曲线的规律性和非均匀的各向异性与周围正常骨小梁一致,以达到更好的修复效果。进一步地,松质骨间隙模型的形态计量学微参数分析结果显示:BV/TV、TbN、TbSp三组数据与取材部位之间的差异无统计学意义,但外侧髁与髌面TbTh差异较明显,具有统计学意义,所以设计支架时,不同位置还需设计不同的小梁厚度,以提高支架的仿生性。

本研究测量了膝关节股骨面骨软骨复合体的局部微结构相关参数,比较分析了不同部位各数据之间的差异,根据所得到的数据设计出两种数字化三维仿生支架模型——仿生非可降解支架模型及仿生可降解支架模型。但是如需根据此模型制造骨软骨支架,还需结合支架材料的性能,以及制造技术综合考虑。研究的不足之处在于样本量偏少,可能对各参量的普遍性有一定影响,但能够对日后更加完善的支架设计方案提供一定参考。