3D打印技术制备β-磷酸三钙仿生骨支架在兔股骨髁部骨缺损修复中的应用

摘要

目的探讨采用3D打印技术制备的β-磷酸三钙（β-TCP）仿生骨支架的形态结构特点及其相关生物性能, 并观察其修复新西兰兔股骨髁部骨缺损的效果。方法选取5～6月龄新西兰大白兔20只, 随机分为支架组和空白组, 每组10只;两组大白兔按造模术后采集标本的时间不同又分为两个亚组, 每组5只。两组大白兔均于左侧股骨用环钻钻取直径约5 mm、长约10 mm的圆柱形松质骨块, 建立股骨髁骨缺损模型。空白组截取的10个松质骨标本, 使用微计算机断层扫描技术进行扫描, 获得骨缺损标本的结构影像学数据, 通过3D生物打印系统设计出相应的仿生骨支架模型, 再以β-TCP作为打印材料, 打印出20枚仿生骨支架。取10枚β-TCP支架测量高度、直径, 电子显微镜下观察β-TCP支架孔道形态结构特点, 测量大孔的直径和孔隙率, 使用电子力学测试机测定β-TCP支架的弹性模量与抗压强度。空白组10只大白兔造模后不植入任何材料。支架组10只大白兔在造模后, 将制备的10枚β-TCP支架植入骨缺损处。分别于术后第6、12周使用耳缘静脉推注空气方法处死空白组和支架组的各亚组大白兔, 于骨缺损部位或植骨部位上下离断、截取长约10 mm骨段, 制备切片, HE染色, 观察骨组织生长情况;采用Lane-Sandhu组织学评分标准对骨组织修复情况进行评价。结果使用3D生物打印技术制备的20枚圆柱体β-TCP支架, 与松质骨标本结构形态相似。支架高度（9.97±0.08）mm、直径（5.09±0.07）mm, 松质骨标本高度（9.96±0.39）mm、直径（5.01±0.22）mm, 支架与松质骨标本比较差异均无统计学意义（P值均＆0.05）。扫描电镜观察到支架表面及内部呈均匀多孔状, 孔径相互连通, 大小相仿, 孔隙分布较均匀, 在大孔侧壁布满了微孔, 外形多为近似圆形;其中大孔直径为（223.02±18.20）μm, 孔隙率为74.02%±1.38%。松质骨标本大孔直径（227.02±31.20）μm, 孔隙率为76.02%±3.29%, 支架与松质骨标本比较差异均无统计学意义（P值均＆0.05）。使用电子力学测试机测定支架的抗压强度为（2.93±0.65）MPa, 弹性模量为95～190 MPa。骨组织切片HE染色:术后第6周, 支架组植骨处可见较成熟的骨组织, 骨小梁和骨髓组织增多, 新生骨正在逐渐覆盖植骨材料, 周围可见少量成骨细胞, 出现少量新生骨并向材料内长入;空白组的骨缺损处周围有少量类骨组织形成, 大量成纤维细胞和脂肪组织生长, 未见明显成骨细胞及骨小梁结构。术后12周, 支架组植骨处出现成熟的骨小梁和骨髓组织, 有编织骨形成, 新生骨量较多, 部分材料已被吸收降解, 材料存留较少;空白组的骨缺损处见少量骨组织从缺损边缘向内长入, 大部分被成纤维细胞和脂肪组织填充。Lane-Sandhu组织学评分, 术后6周、12周支架组分别为（5.2±0.3）、（8.1±1.2）分, 空白组分别为（1.3±0.5）、（4.5±0.6）分, 支架组评分均大于空白组, 差异有统计学意义（t=7.341、12.672,P值均＆0.05）。结论 3D生物打印技术制备的β-TCP仿生骨支架, 与松质骨标本的骨组织解剖结构形态相似, 且具有良好的生物力学性能, 可以提供个体化的仿生骨支架, 修复新西兰兔股骨髁部骨缺损的效果良好。