多孔钛合金孔径大小对新骨形成的影响

摘要

背景：
　　感染，创伤以及骨肿瘤切除常常导致较大的骨缺损，其修复一直是临床上所面临的难题。金属骨替代材料，如钽金属和钛金属及其合金，具有优良的机械强度，为临床医生所青睐。然而，实体金属材料其弹性模量远高于自然骨，植入体内后容易产生应力遮挡效应，使得植入物松动，脱落，影响植入物的稳定性。资料表明，金属材料的结构特性能明显影响新骨长入的速度，其中多孔材料的孔径大小和孔隙率是极其重要的两个影响因素。对金属植入材料进行多孔设计，不仅保留了金属材料优良的机械强度，耐腐蚀性，还可以通过调整孔径大小和孔隙率来改变材料的弹性模量，使其与自然骨相匹配。研究显示，具有孔隙结构的植入材料能促进营养物质和代谢产物的运输，促进细胞的黏附，引导新骨的长入，因此，多孔金属骨植入物材料越来越多地被应用于临床，已达到良好的材料-骨界面生物稳定和骨修复重建的作用。以往的研究多针对小孔径多孔材料（＜1.0mm），大孔径多孔材料对新骨形成的影响研究尚不充分，是否多孔金属材料的孔径越大，骨长入的效果越好，多大的孔径参数对骨长入最为有利，上述问题成为本研究的重点。
　　实验一：多孔钛合金孔径大小对新骨形成的影响
　　目的：
　　观察不同孔径的大孔多孔钛合金植入骨缺损区后新骨长入情况，评价骨缺损的修复重建效果
　　方法：
　　通过电子束熔融（EBM）技术制备1.0mm，2.0mm，3.0mm三种不同孔径，孔径规则，孔隙率依次为73％，79％，86％的多孔钛合金材料，规格为1.0cm×1.0cm×1.0cm正方体。取18只家犬，随机分为1.0mm，2.0mm，3.0mm孔径材料组，每组6只。制备双侧股骨外侧髁缺损模型，缺损区域大小同材料大小，随后植入各孔径组材料，分别于术后4周，8周，12周行大体标本观察，X线片，组织形态检测，Micro-CT扫描，观察三组不同孔径材料与周围骨的整合情况及孔隙中的新骨长入情况。
　　结果：
　　组织学观察发现，1.0mm孔径组材料随时间延长孔径中心及材料周围新生骨明显增多；2.0mm孔径组材料8周和4周相比新生骨面积比显著增加，12周与8周相比无明显增多；3.0mm孔径材料组随时间延长新生骨面积比增加不明显。术后12周，大体标本观察和X线片观察显示三组材料均与周围骨紧密连接，其中1.0mm孔径组材料中心成骨明显，2.0mm孔径组和3.0mm孔径组材料中心多为纤维组织充斥。组织学观察显示，12周时1.0mm孔径组材料周围被骨质紧密包绕，孔中有较多新生骨形成，且孔壁四周有大量纤维母细胞和软骨细胞形成，新骨面积百分比为20.11％±2.74％；2.0mm孔径组和3.0mm孔径组材料周围虽然有骨质包绕，但中心空洞，骨质形成较少，新骨面积百分比分别为10.45％±1.83％，9.26％±1.00％。1.0mm孔径组材料在各时间点新生骨面积百分比均明显高于其余两组，P<0.01,差异具有统计学意义。2.0mm孔径组和3.0mm孔径组材料相比，P>0.05，无显著统计学差异。Micro-CT扫描结果显示，12周时1.0mm孔径组材料中心新生骨较多，骨密度明显高于其余两组，材料周围亦有骨质紧密包绕。2.0mm和3.0mm孔径组材料周围虽有骨质包绕，但中心空洞，基本无骨质形成。结果与组织学结果相符。
　　结论：
　　多孔钛合金材料的骨长入受材料孔径大小的影响，对于大孔结构，孔径超出一定范围将影响新骨长入；对材料孔径进行适当的设计将更有利于材料的骨传导作用。
　　实验二：不同孔径多孔钛合金/β-磷酸三钙复合材料修复骨缺损的实验研究
　　目的：
　　评价不同孔径多孔钛合金/β-磷酸三钙复合材料对犬长骨骨缺损修复的影响。
　　方法：
　　采用电子束熔融（EBM）技术制备两种不同孔径（孔径分别为2.0mm，3.0mm）的多孔钛合金材料，孔径规则，规格为1.0cm×1.0cm×1.0cm正方体，将其孔隙用β-磷酸三钙（β-TCP）烧结填充。取8只成年家犬，随机分为两组，每组4只。制备家犬双侧股骨外侧髁缺损模型，缺损区域大小同材料大小，将两种孔径的复合材料分别植入股骨外侧髁缺损区，左侧为2.0mm组，右侧为3.0mm组。3个月后取材，行大体观察，X线观察，组织学观察了解两种孔径的复合材料与周围骨的整合情况及新骨长入情况。
　　结果：
　　X线片显示3个月时两组多孔复合材料均与周围骨连接，都有不同程度的成骨，成骨由周围向中心生长。组织学观察显示3个月时2.0mm孔径组材料与周围骨连接尚存在间隙，骨小梁排列稀疏。3.0mm孔径组材料周围及中心有大量新生骨组织形成，骨小梁排列紧密，数量明显多于2.0mm孔径组材料，周围骨与材料结合紧密。2.0mm孔径组材料的新骨面积百分比（14.65％1.12％）明显少于3.0mm孔径组（25.95％1.11％），两组差异有统计学意义，P<0.01。
　　结论：
　　多孔钛合金/β-磷酸三钙复合材料的孔径大小影响新骨的长入；人工骨与多孔钛合金材料复合后将改变原有孔径单纯多孔金属材料的骨长入行为。

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前言

文献回顾

1. 骨及其替代材料

2. 骨组织工程中的多孔材料支架

3. 多孔材料孔径结构的重要性

4. 孔径结构对力学强度的影响

5. 多孔材料的制备工艺

6. 多孔钛及钛合金的表面改性处理：

7. 展望：

正文

实验一 多孔钛合金孔径大小对新骨形成的影响

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

实验二 不同孔径多孔钛合金/β-磷酸三钙复合材料修复骨缺损的实验研究

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

小结

参考文献

个人简历和研究成果

致谢