镁铝合金齿突中空螺钉的制作、初步生物性及力学研究

摘要

背景：骨折在现代骨科中是最常见的疾病，目前治疗骨折的观点多主张坚强、有效内固定下，尽早功能锻炼。所以坚强、有效的内固定植入物是现代创伤骨科中不可缺少的工具，目前临床最常使用的是钛合金材料，其最大的缺点是不能自行降解，需长期留在体内或需二次手术取出，而且其弹性模量较骨骼高，长期坚强的固定容易引起应力遮挡，引起周围骨骼强度减弱。虽然目前已研制一种高分子可降解材料，但其强度较低，不足以维持骨折稳定，主要用于非承重部位和部分承重的各类骨折内固定和矫形外科手术中。所以目前迫切需要研制一种高强度的、可降解、不会产生应力遮挡的植入物材料。而镁合金是目前骨科植入物材料中研究的热点，因其有良好的生物相容性、可降解、且其弹性模量与骨骼相接近，避免应力遮挡发生，逐渐被人们所重视。同时，我国镁资源丰富，而且镁与钛等金属相比价格低廉，因此开发一种新型的镁合金生物医用材料，尤其是骨外科和整型外科的内固定或植入材料有很乐观的前景。良好的内固定材料需具备以下几个条件:(a)足够的力学强度及强度维持时间，弹性模量和骨接近，强度逐渐衰减使骨折端得到足够的应力刺激;(b)良好的生物相容性，无毒、无抗原性和致癌性;(c)适当的生物降解性，降解产物能被生理系统清除;(d)尽可能减少并发症。镁合金具备了上述全部的条件，而被誉为“革命性的金属生物材料”。目前对于镁铝合金的研究大多为体外实验如浸提液实验，细胞毒性试验，最大致敏试验及植入动物体内观察其生物性及降解性能等，这一系列实验初步证明镁铝合金材料具有良好的生物相容性，且植入动物体内5周开始降解，20周降解更快。但目前关于镁铝合金的生物力学性能的相关研究报道较少。齿突骨折是上颈椎骨折中最常见的骨折，根据Anderson分型Ⅱ型则为最常见的一型，而颈前路中空螺钉固定是治疗齿突Ⅱ型骨折一种高效、安全的手术方法。因为上颈椎结构的复杂性，临床中使用钛合金中空螺钉固定后一般不二次手术取出，螺钉长期留在人体内，难免会电解释放对人体有害的炎症物质。况且，螺钉长期在活动的颈椎，引起金属疲劳，螺钉变形，出现松动、退钉等，若螺钉压迫脊髓，甚至引起生命危险。上述的问题是目前使用钛合金螺钉所不能解决的问题，所以治疗齿突Ⅱ型骨折正急迫需要一种有足够的强度、可以降解、不会产生应力遮挡、有促成骨性等性能的新型植入物材料。而镁合金具备了良好的内固定材料的所有条件，可设想用其来制作成中空螺钉固定齿突骨折，基本可以解决上述难题，并且，镁合金具有促成骨性，同时可以降低齿突骨折中空螺钉固定后的不愈合率，大大提高治疗的成功率。故本研究通过将镁铝合金加工成齿突中空螺钉，再次验证其生物相容性及评价其力学性能，为其能在临床使用提供依据。
　　 目的：⑴通过影像学测量正常枢椎及齿突骨折的相关数据，制作镁铝合金中空螺钉，并在人体尸体中行手术模拟，验证螺钉设计的可行性及观察螺钉固定骨折的即时稳定性。⑵通过镁铝合金中空螺钉浸提液培养小鼠成纤维细胞(L929)及成骨细胞(MG63)，评价螺钉初步生物性。⑶通过三维有限元分析，电脑模拟齿突Ⅱ型骨折中空螺钉固定模型，分别赋予镁合金、钛合金金属属性，比较两种螺钉最大应力、齿突的最大应力及最大位移，评价镁合金中空螺钉的力学性能。⑷通过人体尸体齿突标本，制作齿突ⅡA型骨折模型，分别使用镁合金中空螺钉、钛合金中空螺钉固定，在生物力学机上测量Ⅱ型齿突骨折中空螺钉固定的枢椎模型，比较两者载荷-位移关系及螺钉最大负荷，评价镁合金中空螺钉的力学性能。
　　 方法：①镁铝合金中空螺钉的制作及手术模拟:正常枢椎CT影像资料150份，Ⅱ型齿状突骨折的影像资料43份，采用CT图像上的标尺，在微机上直接测量枢椎高度、齿状突的长度、齿状突基底的冠状径和矢状径、齿突后倾角、枢椎可固定长度、Ⅱ型齿状突骨折骨折线至齿状突尖的距离。参考测量数据，设计镁铝中空螺钉草图，将数据导入电脑机械加工软件，连接加工机器，通过钻通孔、车外圆、铣梅花、精车外形、车螺纹、铣自攻槽、钳工去毛刺、抛光外圆等工序，生产出镁合金中空螺钉。在6具人体颈部尸体标本中，制作成齿突ⅡA型及ⅡB骨折模型，用镁铝合金中空螺钉固定，验证螺钉设计的合理性，比较齿突骨折固定前的位移及镁合金螺钉固定后的位移，观察螺钉固定齿突骨折的即时稳定性。②镁铝合金中空螺钉细胞毒性及促成骨性观察:实验方法参考中华人民共和国国家标准医疗器械生物学评价第5部分:体外细胞毒性试验。按照ISO10993-1标准（试样表面积/浸体介质=3 cm2试样/mL）制备镁铝合金中空螺钉的浸提液，培养L929及MG63两种细胞，置于37℃、5％CO2培养箱中培养，分别于2、4、7d后显微镜下观察活细胞的形态并摄影并测量其吸光度值(OD值)。比较镁铝合金中空螺钉浸提液培养的两种细胞的细胞生长形态及其相对增值率。③镁铝合金中空螺钉三维有限元分析:使用德国西门子64排双源螺旋CT进行扫描一正常成年男性志愿者颈椎，所得图像经联机工作站处理DICOM格式数据文件。①D ICOM格式数据，导入三维重建软件Mimics10.01、采用阈值分割和区域增长技术，分离出枢椎模型，对模型进行打磨、填充、去噪、光顺等处理，使之外形光滑，接近枢椎骨性结构，再以点云文件格式导入Solidworks2010，进行模型成型修整，获得光滑、无破面的枢椎实体，在Solidworks模拟中空螺钉固定齿突ⅡA型骨折的模型，导进有限元软件Ansys13.0模拟力学分析，比较镁铝中空螺钉及钛合金中空螺钉的最大应力、齿突的最大位移及椎体的最大应力。④镁铝合金中空螺钉固定齿突Ⅱ型骨折生物力学:20具意外死亡年轻人的新鲜冷冻尸体枢椎标本，制作成ⅡA齿突骨折模型，分别使用镁合金中空螺钉、钛合金中空螺钉固定，在生物力学机上测量Ⅱ型齿突骨折中空螺钉固定的枢椎模型，比较两者载荷-位移关系及螺钉最大负荷，评价镁合金中空螺钉的力学性能。
　　 结果：⑴枢椎高度为（35.11±4.15），齿状突长度（14.99±1.26），齿状突基底的冠状径为（8.94±1.26），矢状径为（10.20±1.02），骨折线距齿状突尖的距离为（10.49±1.75），进针后倾角（17.56±5.29）。镁合金中空螺钉手术操作便利与目前临床使用AO齿状突钛合金中空螺钉相似，齿状突骨折端即时稳定性好。⑵细胞形态学观察显示L929贴壁好，部分细胞死亡，胞核碎裂溶解，MG63细胞贴壁生长，形态正常，无明显溶解。MTT显示镁合金AZ31B浸提液对L929细胞的毒性1-2级，对MG63细胞毒性0级，无明显细胞毒性，两种细胞的OD值有统计学差异(P＜0.05)。⑶所建枢椎及齿突ⅡA骨折中空螺钉固定有限元模型外形逼真，几何相似性好，正常枢椎共包含为29103个四面体单元、50386个结点；齿突ⅡA骨折中空螺钉固定有限元模型共包含为32929个四面体单元、59265个结点，能较真实的反映正常枢椎及中空螺钉固定术后模型结构。头部后伸、前屈活动时，钛合金螺钉最大应力分别为42.3MPa、62.8 MPa，上骨折端最大位移分别为0.028mm、0.040mm，;镁合金螺钉最大应力分别为33.6MPa、52.1 MPa，上骨折端最大位移分别为0.036mm、0.056mm。⑷镁合金螺钉、钛合金螺钉固定术后的模型再次发生骨折所需要的平均最大负荷分别为560N及600N，两者间差异无统计学意义(P＞0.05)，当加载负荷＜400N时，两组的位移差异无统计学意义(P＞0.05)，当载荷.＞500N时骨折端产生的位移差异有统计学意义(P＜0.05)。镁合金螺钉最大拔出力483N，钛合金螺钉平均最大拔出力496N，两者差异无统计学意义(P＞0.05)。
　　 结论：①国人Ⅱ型齿状突骨折内固定的螺钉长约38cm，直径3.5mm，远端螺纹长约1cm较合适。设计出可降解AZ31B镁合金中空螺钉外表美观，与临床使用钛合金中空螺钉外形基本相符，操作便利，目测骨折端即时稳定性好，为下一步行生物力学检测提供依据。②镁铝合金具有较低的细胞毒性，达到临床使用标准，能促成骨细胞生长，检验镁合金细胞毒性使用L929细胞系检测更灵敏、更准确，而检验镁合金的促成骨性可以选择MG63，但用MG63检验镁合金的细胞毒性准确性容易出现偏差。③应用CT扫描获取枢椎空间结构信息建立的枢椎模型可用于生物力学实验，两种材料的螺钉固定枢椎齿突Ⅱ型骨折时其最大应力均小于其材料的屈服强度，镁合金中空螺钉足以维持骨折的稳定性。④从体外生物力学检测说明镁合金中空螺钉在固定齿状突骨折模型时可以发挥与钛合金中空螺钉相似的固定作用。

目录

摘要

前言

参考文献

第一章 枢椎影像学测量与镁合金中空拉力螺钉设计与制作

1 影像学测量

2 材料与方法

3 结果

4 讨论

5 结论

参考文献

第二章 镁铝合金对L929及MG63细胞毒性比较研究

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论

参考文献

第三章 枢椎齿突Ⅱ型骨折中空螺钉固定的三维有限元分析

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论

参考文献

第四章 齿突ⅡA型骨折中空螺钉固定的生物力学研究

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论

参考文献

综述 镁合金在骨组织修复中的研究

攻读学位期间成果

致谢

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