3D打印间孔结构人工骨支架复合自体骨的异位成骨研究

摘要

目的:
　　1.采用CAD设计、3D打印技术，制作出具有间孔结构的β-磷酸三钙材料人工骨支架，为动物实验提供支架材料基础。
　　2.将人工骨支架与自体骨复合并植入兔背肌袋内，比较何种间孔孔径的人工骨支架复合自体骨后异位成骨能力较强。
　　方法:
　　1.CAD设计人工骨支架的间孔直径和孔间距参数:根据有限元模拟间孔结构骨管的Von Mises应力图，应力线明显转折点均位于0.8X，即当孔间距为孔径的0.8倍时，孔径与孔间距的搭配最为合适，这也是最小孔间距的安全临界值。因为当孔间距倍数继续减小后，最大Von Mises应力会急剧上升，增加了骨管模型的变形风险。当孔间距为孔径的0.8倍时，骨管的力学强度在安全范围内，而骨管上能钻孔的数量可达到最多，意味着能复合的自体骨量也能达到最大量。
　　2.3D打印间孔结构β-磷酸三钙人工骨支架:首先采用液相沉淀法制备微纳米β-磷酸三钙粉体原料，再将粉体原料配制成高固相含量浆料，灌入3D打印设备。然后将CAD软件设计的人工骨支架模型文件导入3D打印系统，系统中的快速成型软件对模型进行切片分层，并按照切片分层得到的二维界面轮廓图进行横向和纵向相交替的、有规律并精确的分层堆积、固化。最后，通过逐层堆积，一步步地顺序叠加成具有间孔结构的β-磷酸三钙人工骨支架。
　　3.将兔自体髂骨粒填塞复合至人工骨支架的间孔内并整体植入兔背肌袋:骨刀凿取兔髂骨块大小约13mm*25mm，并剪成碎骨粒，填塞复合至β-磷酸三钙人工骨支架的间孔中，尽可能地填塞紧密。
　　4.分别在术后第1、第3、第5个月行X线片、核素骨显像检查，并取材行大体标本观察、Micro-CT扫描、HE染色、Masson染色和免疫组化COL-1染色观察。
　　结果:
　　1.CAD设计人工骨支架的间孔孔径与孔间距配对参数为4.5mm/3.6 mm、3.5mm/2.8 mm、2.5 mm/2.0 mm，支架的主体部分设计成网格状的微孔结构，微孔孔径Φ=400μ m。这种人工骨支架的间孔结构用于填塞复合自体骨，以利于形成多个异位骨化中心。网格状的微孔结构适合早期毛细血管网的贴附长入及后期新生骨的爬行替代。
　　2.3D打印的人工骨支架与设计模型的大小尺寸无明显差异，且无形态改变，支架的间孔区域能够满足下一步动物实验中复合植入自体骨的需求。人工骨支架的扫描电镜图像结果可见网格状微孔排列整齐，微孔孔径大小均匀一致，孔径约为400μ m，微孔之间的互连相通，且支架材料的表面还具有从几个纳米到几个微米不等的天然气孔。这种多级孔隙结构有利于细胞、组织的长入及爬行。
　　3.兔自体骨粒与人工骨支架紧密复合，并整体植入兔背肌袋内，手术过程顺利。
　　4.术后大体标本可见支架周围有明显新生血管网形成。术后X线片可见随植入时间的延长，支架密度逐渐减低，轮廓逐渐模糊。术后核素骨显像可见复合自体骨的支架材料有少量代谢显影。术后Micro-CT扫描、三维重建后可见随时间延长，材料逐渐吸收，3.5mm孔径支架的新骨形成较好。术后1个月HE染色结果可见实验组与对照组材料均有大量新生血管形成，术后3个月HE染色结果可见3.5mm孔径支架内有少量新生骨形成，术后5个月HE染色结果可见3.5mm孔径支架内有大量新生骨形成。Masson染色和COL-1免疫组化染色结果显示:术后第1个月时实验组与对照组支架材料无明显差异，术后第3、5个月时，3.5mm孔径支架的新骨形成表现最好。CD31和VEGF免疫组化染色结果显示实验组与对照组支架材料在各时间点均无明显差异。
　　结论:
　　1.CAD设计、3D打印的β-磷酸三钙人工骨支架，具有三级孔隙结构，其内部微孔和材料表面天然孔隙有利于细胞、组织的早期长入，其间孔结构符合自体骨植入要求，为异位成骨实验提供了材料基础。
　　2.3.5mm孔径的间孔结构人工骨支架复合自体骨后，在兔背肌袋内的异位成骨能力较强，且能诱导新生血管早期形成并长入，为临床上采用间孔结构人工骨支架复合自体骨粒修复大节段骨缺损提供了一种新思路。

目录

声明

摘要

引言

第一章 CAD设计、3D打印间孔结构人工骨支架

1．1 前言

1．2 材料与方法

1．2．1 实验材料

1．2．2 实验方法

1．3 实验结果

1．3．1 3D打印具有间孔结构的β-磷酸三钙人工骨支架

1．3．2 β-磷酸三钙人工骨支架电镜扫描

1．4 讨论

第二章 间孔结构人工骨支架复合自体骨的异位成骨研究

2．1 前言

2．2 实验材料

2．2．1 实验动物

2．2．2 实验器材及用品

2．2．3 实验计划

2．3 实验方法

2．3．1 实验动物分组

2．3．2 实验动物麻醉

2．3．3 实验动物髂骨取骨

2．3．4 实验动物自体骨粒复合人工骨支架

2．3．5 实验动物肌袋造模

2．3．6 人工骨支架材料植入实验动物肌袋

2．3．7 术后处理

2．3．8 术后取材

2．4 实验观察

2．4．1 实验动物一般情况观察

2．4．2 X线片检查

2．4．3 核素骨扫描检查

2．4．4 植入标本大体观察

2．4．5 Micro-CT扫描

2．4．6 组织切片

2．5 实验结果

2．5．1 实验动物一般情况

2．5．2 X线片检查

2．5．3 核素扫描检查

2．5．4 植入标本大体观察

2．5．5 Micro-CT扫描

2．5．6 组织切片染色观察

2．6 讨论

结语

参考文献

附录 文献综述 大段骨缺损的修复重建研究进展

攻读学位期间发表论文及参与科研情况

致谢