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基于增材制造的仿骨小梁多孔支架促进界面骨整合的研究

基于增材制造的仿骨小梁多孔支架促进界面骨整合的研究

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作者：杨文博吉林大学

学位级别：硕士

研究背景:当骨缺损超过临界大小时不能自愈,采用金属植入物填充缺损具有即刻负重的优势,假体与骨的界面骨整合是保证长期稳定的关键。假体的多孔界面设计为骨长入提供了空间基础和氧气及营养物质的运输通道,大量的基础和临床研究都证明... 详细信息

研究背景:当骨缺损超过临界大小时不能自愈,采用金属植入物填充缺损具有即刻负重的优势,假体与骨的界面骨整合是保证长期稳定的关键。假体的多孔界面设计为骨长入提供了空间基础和氧气及营养物质的运输通道,大量的基础和临床研究都证明其有利于骨长入。目前常见的多孔设计为规则、均一孔径的立方体设计,与骨小梁的不规则多元孔径结构有较大差异。研究表明,仿骨小梁设计比规则立方体设计效果更好,其最有利于骨长入的孔隙率在60%-80%。然而,目前关于仿骨小梁设计的研究的平均孔径多在小于650μm的范围内,且骨长入效果随着平均孔径的增大而提升。但是大于650μm支架内的骨长入效果如何仍然未知。增材制造技术因其逐层制造的特点在制造复杂多孔金属方面具有优势,泰森多边形法(VT法)是一种能够很好地模拟骨小梁不规则多元孔径的设计方法,因此本研究采用VT法设计、电子束熔融技术(EBM)制造仿骨小梁支架。研究目的:本研究致力于探究平均孔径在更大范围内的仿骨小梁多孔支架的骨长入效果,以期为植入物的多孔设计提供理论依据。方法:1.根据VT法,通过Rhino软件及Grasshopper插件设计三种不同平均孔径的仿骨小梁支架(按照平均孔径从大到小依次记为Ir.Ⅰ、Ir.Ⅱ和Ir.Ⅲ)和规则立方体支架(记为Cube)。通过EBM技术使用Ti6Al4V粉末打印制造。2.通过扫描电镜(SEM)观察不同多孔钛合金支架的表面形貌,能量色散X射线光谱仪(EDS)分析元素组成,Micro-CT分析孔径、孔隙率、比表面积。3.通过单轴压缩试验比较不同支架的力学性能,有限元分析探究四组多孔支架力学性能差异的潜在机制。4.通过SEM检测、细胞骨架染色、活/死染色、CCK-8分别评估不同支架对细胞黏附、形态、存活、增殖的影响。通过茜素红染色、碱性磷酸酶(ALP)检测、RT-q PCR评估不同支架对成骨分化的影响。5.进行兔股骨髁部位植入实验,在6周和12周时通过Micro-CT和组织学检测评估不同支架的骨长入效果。结果:1.所制造的支架均具有粗糙的表面和相似的孔隙率(69.5%–78.5%)。仿骨小梁支架具有多元孔径特征,平均孔径分别为Ir.Ⅰ:1044±13μm、Ir.Ⅱ:807±20μm、Ir.Ⅲ:596±2μm;规则立方体支架具有单一均匀的孔径,为941±2μm。与规则立方体支架相比,仿骨小梁支架具有更高的比表面积,Ir.Ⅲ具有最高的比表面积。2.所制造的支架弹性模量在12.0-20.9GPa,与骨小梁弹性模量相近。仿骨小梁支架应力分布更集中,抗压强度低于规则立方体支架。***检测表明支架上的细胞存在大量细胞伪足和伪足间的融合。活/死染色表明,各组支架上死亡细胞均极少,仿骨小梁支架在多个层面上均有细胞的存活,而规则立方体支架上的细胞仅在支架表面存活。CCK-8表明仿骨小梁支架更利于细胞的增殖,Ir.Ⅲ最利于细胞增殖。细胞骨架染色表明支架上的细胞伸展良好,有非常多的细胞间融合。仿骨小梁支架上有更多的钙结节沉积,Ir.Ⅲ上的钙沉积最多。仿骨小梁支架上细胞的ALP表达水平更高,Ir.Ⅲ上细胞的ALP表达水平最高。仿骨小梁支架上细胞的成骨相关基因表达水平更高,Ir.Ⅲ上细胞的成骨相关基因的表达水平最高4.组织学表明各组支架内均有新生骨形成。Micro-CT表明与立方体支架相比,仿骨小梁支架内的骨量更多。其中,平均孔径为596μm的仿骨小梁支架内的骨量最多。结论:通过EBM成功地制造了仿骨小梁支架,并具有良好的生物相容性。仿骨小梁支架有利于成骨前体细胞的黏附,增殖,成骨分化,和骨的长入。在596-1044μm的范围内,平均孔径为596μm的仿骨小梁支架最有利于骨长入。本研究为骨植入物的微孔设计提供了参考。

关键词：增材制造仿骨小梁结构骨长入假体设计

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