基于EBM制备钛支架的髋臼缺损支架设计与构建

胡 军，王 骅

(江苏省苏北人民医院创伤外科，江苏 扬州 225000)

长期以来，髋臼缺损一直是临床全髋关节置换术(THA)中难以处理的问题，尤其是在大面积骨组织缺损时[1]。目前，髋臼钛板和植骨已成为临床上修复骨缺损最常用的治疗方法。自体骨、异体骨和人工骨是骨移植的主要材料。然而，这些材料面临着许多实际问题，例如供体短缺、供体部位病变和排斥反应等[2]。较大的髋臼杯和髋臼加强环一直是严重骨缺损THA的主要选择[3]。同时，个体差异和操作难度的增加也极大地制约了该疗法的广泛应用。为此，学者们已开发出大量的骨替代物。作为一种理想的植入物，骨替代物不仅应具有合适的生物力学性能，还应具有可控的结构和合适的生物界面，以促进植入物与骨组织受损区域的完美匹配，促进或诱导再生。因此，材料的选择十分重要。

在结构方面，传统的铸造技术已经不能满足需要，无法制备出具有特殊形状和结构的个性化种植体，更不可能进行局部表面改性。随着科技的飞速发展，这些问题都可以通过增材制造(3D打印)技术来解决。迄今为止，研究人员已经通过3D打印设计和制造了大量的组织工程支架[4]。例如，基于陶瓷、生物聚合物和其他复合材料的3D打印支架已广泛用于组织再生[5]。钛和钛合金也广泛通过电子束熔融技术(EBM)或选择性激光熔化(SLM)技术制备成具有内部多孔结构的植入物[6]。但是，它们大部分不适用于THA，可能是因为它们只是根据损伤区域的CT扫描数据制作，不可避免地忽略了整体结构和连接设计，特别是那些连接复杂或靠近关节的植入物，使得既往的支架不能有效地结合缺损结构和整个关节。因此，临床迫切需要开发一种既能与缺损形状匹配，又能保持关节功能的新型解剖学3D植入物。本研究采用复杂的CT数字解剖数据结合计算机辅助设计(CAD)和3D打印技术的反向辅助设计，构建了解剖3D植入物，现报道如下。

1 材料与方法

1.1材料 圆柱形钛支架设计正视图直径8 mm，高度4 mm，孔隙率连接率为100%，其中设计纤维直径200 μm，取向0°/90°，孔隙率64%。为了获得髋臼缺损支架的结构，先进行CT扫描，然后进行双源CT(Siemens AG，德国Siemens公司)体积扫描，层厚2 mm，间距1 mm。将生成的文件保存为DICOM格式，然后使用Mimics10.0(比利时Materlise公司)重建3D解剖数据。使用Geomagic studio 11.0(美国Geomagic公司)进行CAD，反向获得髋臼形态方便显示缺损，在软件中修复缺损重建髋臼后，然后根据扫描数据设计髋臼支架的3D形状。

1.2方法 本研究中使用纯度为99.9%、粒径为5～46 μm的钛合金Ti-6Al-4V粉末(Arcam A1，瑞典Indal公司)来制造钛支架。本研究中使用的EBM系统为Arcam A1。参照文献[7]的描述进行钛支架的制备。参数测量时用卡尺测量多孔圆柱形的大体三维参数，然后将支架放入水浴中测试含水量，评估支架孔隙率。采用激光共聚焦倒置显微镜(Olympus Fluoview FV500)测试支架微结构的纤维直径和孔径。采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散光谱(EDS)观察支架的微观结构和表面化学成分。力学测试采用单轴测试系统(Instron 4502，英国Instron公司)。将试样分别固定在卡槽上并确保测试表面平坦。以1 mm/min的位移速率加载样品，直至达到2 mm/min。在10%应变(0.4 mm位移)下记录抗压强度。取兔颅骨骨缺损模型，植入支架，2个月后评估其成骨性能。髋臼的整体形状近似为一个圆形。对髋臼缺损支架的直径进行测量，并与设计值进行对比分析。最后借助有限元分析对髋臼支架进行力学分析。

2 结 果

2.1CAD圆柱支架 实际的EBM支架，见图1。钛支架的平均直径、厚度、孔隙率、纤维直径和孔径等实际指标与设计参数比较，差异均无统计学意义(P>0.05)，见表1。SEM图像显示，获得的钛支架宏观和微观结构与CAD设计参数能很好地匹配。在不同的放大倍数下，可以发现具有均匀分布颗粒的粗糙表面。表面化学成分分析结果表明,表面的主要成分仍然是钛,在钛支架表面存在大量的碳、氧元素，见图2,这也有助于提升支架的组织相容性。结果表明，EBM技术可用于精确设计制备具有良好生物学性能的钛支架。

表1 圆柱形支架的大体参数

2.2支架的力学测试 钛支架的平均最大承载力为(3.48±0.21)kN，平均弹性模量为(12.81±0.39)GPa。对比可以看出，钛支架在初始阶段受力较大情况下，仍可以基本维持弹性形变，钛板、圆柱状钛支架及大鼠股骨的压缩弹性模量比较，钛板最高为112.1 Gpa,钛支架为14.6 Gpa,骨组织为3.5 Gpa，后两者较为接近，见图3。

2.3解剖髋臼支架 基于患者髋关节CT数据的三维重建与局部缺损的大小、形状、周围结构吻合较好，见图5。借助CAD设计完成了缺损部分的重建，同时保持了髋关节的稳定性。在EBM技术的帮助下，可以成功打印设计结构复杂的髋臼缺损支架。髋臼直径的比较中，髋臼缺损支架与设计支架无明显差异，见表2。表面多孔结构有利于骨整合和髋臼稳定性。髋臼缺损支架的有限元分析结果，见图6。在载荷1 000 kg条件下，测出骨的杨氏模量为3 GPA，泊松比为0.3；假体(钛合金)杨氏模量为96 GPA，泊松比为0.36。从整体分析结果来看，假体部分变形量较小，承重较好。见图6。

表2 设计的髋臼缺损支架直径

3 讨 论

伴随着交通方式的改变，导致创伤的因素不断增多，高龄化和生活方式的改变导致髋关节炎患者日益增多。越来越多的患者需要接受THA，众多已经手术的患者也需要进行翻新[8]。无论是原发性损伤、先天发育引起的髋臼缺损，还是假体无菌性松动引起的缺损，都是临床医生面临的棘手问题[9]。无菌松动是与聚乙烯磨损碎屑相关的最常见原因之一[10]。骨吸收和严重的骨缺损会使外科医生难以根据术前影像选择合适的假体，其难点在于评估骨缺损的严重程度，并确认髋臼的稳定性是否受到干扰。

骨缺损的治疗方法众多，但大多数结果都不尽如人意。结构性植骨是最常用的方法之一，旨在为非骨水泥髋臼假体提供结构稳定性，直到髋臼假体长入其中[11]，常用于年轻患者保留骨量以备日后翻修。但因骨源缺乏、自体骨吸收、感染、长期塌陷松动等原因，结构性植骨不能无限制使用。打压植骨是使用生物型髋臼杯、骨小梁金属垫块等的新方法，能显著改善髋臼重建效果[12]。然而，髋臼骨折、移植物再吸收和疾病传播的风险仍然不容忽视。翻修关节成形术的另一种选择是Jumbo髋臼组件[13]，女性的直径大于62 mm，男性的直径大于66 mm。Jumbo杯是在不提供骨量重建的情况下，尽可能将髋臼杯放在宿主骨骼上。因此，大型髋臼组件已成为目前的主流选择之一。此外，近年来开发了钽金属块，其具有更好的骨生长面积和剪切强度，较高的摩擦系数可以保证初始稳定性，这对于髋臼杯的长期生物修复非常重要[14]。但是，各种髋臼缺损不尽相同，髋臼缺损分析就显得相当重要。CT和三维软件在骨量评估方面较传统的X线图有很大优势，前者在模拟缺损修复、螺钉固定和假体植入等术前计划功能方面更加强大。最终的植入物应与患者的解剖结构完美匹配，不仅与髋臼缺损完美匹配，还应与髂骨、坐骨和耻骨完美匹配。但是，上述传统方案大都不能较好地匹配缺损区域，也无法完全恢复髋臼的稳定性。因此，迫切需要开发个性化或定制的植入物。虽然用于重建大量骨缺损的定制植入物已很常见[15-16]，但受到材料科学和制造技术的限制，定制植入物并没有得到广泛发展。目前，随着3D打印技术的发展，缺陷修复领域有了更多的选择。

近年来，组织工程技术已经开发出大量的骨替代物，包括金属和聚合物复合材料。作为一门交叉学科，骨组织工程(BTE)被认为是骨科植入物发展的有力工具。随着研究的深入，陶瓷、碳合成材料、生物聚合物等可降解材料已被证明具有良好的生物降解性和生物相容性[17]。然而，较差的机械强度极大地阻碍了其在骨组织替代中的应用[18]。在这方面，钛和钛合金是理想的替代品，因为它们具有出色的机械强度和骨诱导性[19]。无论是螺钉、骨板甚至人工关节，钛材料的应用最为广泛。钛金属具有较高的孔隙率和摩擦系数，具有良好的生物活性，最适合骨向内生长，粗糙的表面微纹理可提供骨贴合，在植入时能获得更好的初始稳定性[20]。EBM制备的钛支架比SLM具有更高的生物相容性，因为其副产物相对较少。此外，越来越多的证据表明，EBM构建的钛支架在骨缺损修复中起着至关重要的作用。本研究通过EBM技术构建圆柱形多空隙钛支架，展示了3D打印技术的准确性和可控性。本研究所得支架的宏观和微观结构的体系结构参数可以与设计值匹配。虽然纤维粗糙，实际值与设计值偏差较大，但不影响整个结构的精度。同时，化学成分测量表明，钛元素仍然占主要份额，并且在钛支架表面存在大量的碳和氧，表明纤维表面可能发生金属氧化，并在金属表面形成一层薄薄的氧化层，提高生物活性，从而防止持续氧化并增强耐腐蚀性[21]。扫描电镜图像表明，在钛支架表面没有金属颗粒解离和孔隙阻塞。力学测量表明，与传统的钛板比较，钛支架在压缩力下具有相对较大的位移范围，其生物力学特性更接近于骨骼，提示钛支架可以较好地匹配体内的生物力学环境。骨缺损状态下，钛支架的成骨性能较为优异，骨长入情况满意。基于此，借助患者髋关节的CT数据重建，EBM技术可用于开发具有足够强度的新型髋臼假体。

在解剖髋臼支架设计之前，需要从目标患者处收集髋臼数据。本研究采用西门子双源CT薄层扫描，层厚2 mm，间距1 mm。为了重建个人解剖结构，CT数据应尽可能完整。之后，将重建的髋臼缺损模型3D数据输入CAD设计软件进行分析、重建，也可以在软件中修复缺损，建立整个髋臼缺损支架。最后，利用EBM技术，以钛构建髋臼缺损支架。髋臼缺损支架多孔界面能更好地让骨向内生长。基于CT的髋臼缺损支架近似圆形，实际的外径和内径与设计值无明显差异。这表明基于CT的数字建模与EBM技术结合可以成功地制作出所设计的髋臼缺损支架。有限元分析结果显示，相较于骨的杨氏模量3 GPA，髋臼缺损支架的杨氏模量明显增高，强度增大，其在假体部分变形量较小，考虑髋臼缺损支架不仅能完美契合局部解剖，也能够为整个骨盆提供力量支撑。

综上所述，基于CT的数字解剖数据、CAD技术结合EBM技术可用于精准构建髋臼缺损支架，并制作具有足够机械强度的植入物。