脉冲电磁场协同多孔钛合金对兔长骨缺损修复效果的微观结构分析

多孔钛合金(p Ti)是目前较为理想的骨替代修复材料,但其在微观水平上仍难以与骨组织充分骨整合。为此,研究了脉冲电磁场(PEMF)协同p Ti作用对兔长骨缺损的修复效果。采用电子束熔融技术制备孔隙率70%的Ti6Al4V多孔钛合金圆棒;于12只成年兔股骨外侧髁构建骨缺损,填充以p Ti,并采用自行研制的基于"3-Helm Holz线圈"的电磁发生系统产生2 m T、15 Hz的PEMF进行实验。结果表明:与单独的p Ti作用相比,在PEMF和p Ti的协同作用下,6周后,p Ti中的骨体积百分比提高了78.5%,骨小梁数量提高了21.7%,骨小梁厚度增大了41.8%,骨小梁间隙减小了30.7%,骨表面积密度减少了36.2%。因此,PEMF显著提高了p Ti的骨缺损修复效率,PEMF协同p Ti作用是一种更为高效的长骨缺损修复方法。

不同空间结构钛合金内植物在兔肱骨近端大结节处骨长入的组织学对比研究

目的:建立兔肱骨近端钛合金骨小梁孔隙结构与经典孔隙结构内植物植入模型,并对随时间演变不同内植物中骨长入情况进行组织学对比研究。方法:分别建立肱骨近端骨小梁孔隙结构及经典孔隙结构的钛合金内植物植入模型,选取30只骨骼成熟雄兔随机分为2组,每组各15只;并于组内再次随机分为3组,每组各5只,分别于建模后3、6、12周对肱骨近端内植物植入部分进行取材、切片及甲苯胺蓝染色,观察对比随时间演变不同孔隙结构内植物中骨长入的情况。结果:在分别对各组15个样本进行定性观察后发现随着时间的进展,不同内植物孔隙内的骨质均在不断增长,骨长入面积也在不断扩大。组织学定量分析发现3周与6周时骨小梁孔隙结构内植物骨长入面积百分比均显著大于经典孔隙结构内植物(3周时:25.4%±6.9%vs 19.6%±3.7%,P<0.05;6周时:31.2%±1.7%vs 26.9%±5.3%,P<0.05);而在12周时,两组间的骨长入面积百分比相比差异无统计学意义(41.7%±2.5%,39.0%±4.1%,P>0.05)。而两组内分别进行组内比较时,3周、6周、12周这3个时间点两两比较骨长入面积百分比差异均有统计学意义(P<0.05)。结论:不同孔隙结构内植物在兔肱骨近端的骨长入面积随时间均不断增加,早期(6周内)骨小梁孔隙结构内植物的骨长入速度显著大于经典孔隙结构内植物,但远期(12周)两组不同结构内植物骨长入面积并无统计学差异。

3D打印钛合金骨小梁多孔结构的拉伸性能

背景:3D打印钛合金多孔结构以其良好的机械性能和生物相容性已经在骨科植入假体设计与临床应用方面得到了快速发展,与涂层假体相比,钛合金骨小梁结构具有骨长入快和骨长入好的优点。为了保证骨科植入物的安全,目前多采用实验方式确定骨小梁结构的拉伸、剪切疲劳和弯曲疲劳强度。目的:通过力学实验和有限元数值模拟方法研究骨小梁多孔结构的力学性能。方法:①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验:设计并制备3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,骨小梁结构的丝径为0.28-0.35mm、孔径为0.71mm、孔隙率为73%。检测钛合金骨小梁结构的拉伸强度,分析其失效机制,同时分析不同打印位置对骨小梁拉伸强度的影响。②数值模拟实验:利用有限元方法建立包括骨小梁理论结构的拉伸试件实体模型,模拟骨小梁试件的拉伸破坏过程。结果与结论:①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件的极限载荷分布在39.55-47.11kN之间,等效极限拉伸应力分布在62.79-74.53 MPa之间,拉伸破坏的结果为网状结构断裂,说明钛合金骨小梁具有较高的拉伸强度;②3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验与数值模拟实验均显示,骨小梁试件受到拉伸破坏时的破坏形式为丝径断裂,不会在骨小梁与钛合金实体的结合面发生断裂;③数值模拟实验中骨小梁试件的拉伸破坏载荷低于3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,造成该差异的原因主要为:3D打印骨小梁试件的丝径(280-350μm之间)大于骨小梁的理论丝径(142μm),而孔径(孔隙率75%)小于骨小梁的理论孔径(孔隙率96%)。

仿生骨小梁与规则多孔结构骨整合性能的体外细胞学对比研究

目的探究相同孔隙率和孔径大小的仿生骨小梁与规则多孔结构对成骨细胞黏附、增殖、分化的影响,为钛合金植入体骨整合性能的改良提供理论依据。方法利用计算机辅助软件生成相同孔隙率和孔径大小的仿生骨小梁与规则多孔结构,采用选择性激光熔融技术将其加工为直径10 mm、高3 mm的圆盘状Ti6Al4V支架。将处于生长对数期的小鼠成骨细胞前体细胞MC3T3-E1接种到两种支架上,分为仿生骨小梁组与规则多孔结构组。取培养3 h后的支架,进行吖啶橙染色和鬼笔环肽/DAPI染色,评估细胞黏附数量,取培养3 d后的支架进行扫描电镜检查,评估细胞的黏附状态。取培养1 d、3 d、5 d后的支架,进行CCK8检测,观察细胞的增殖情况。取诱导分化7 d和14 d后的支架,检测碱性磷酸酶(ALP)活性;取诱导分化14 d后的支架,利用RT-PCR检测成骨相关基因(ALP、OCN、RUNX2)的表达量;取诱导分化30 d的支架进行茜素红染色和100 g/L氯化十六烷基吡啶溶解矿化结节,定性和定量检测钙盐沉积,评估细胞分化情况。结果吖啶橙和鬼笔环肽/DAPI染色结果显示仿生骨小梁Ti6Al4V支架较规则多孔结构黏附更多的MC3T3-E1细胞,而且前者细胞骨架分布更为密集。扫描电镜结果显示仿生骨小梁Ti6Al4V支架上MC3T3-E1细胞伪足更长,伸展状态优于规则多孔结构。CCK8检测显示在第3天和第5天时,仿生骨小梁钛合金支架上MC3T3-E1细胞增殖数量较规则多孔结构明显增加,而且随着时间的增加两者差距逐渐增大,差异具有统计学意义(P<0.05)。细胞分化实验结果显示在7 d和14 d时,仿生骨小梁钛合金支架上的ALP活性高于规则多孔结构(P<0.05);诱导分化14 d时仿生骨小梁钛合金支架上MC3T3-E1细胞成骨基因(ALP、OCN、RUNX2)表达量明显高于规则多孔结构(P<0.05);在诱导分化30 d时,仿生骨小梁钛合金支架钙盐沉积量多于规则多孔结构,差异具有统计学意义(P<0.05)。结论孔隙率为65%、等效孔径为600μm的仿生骨小梁结构较相同孔隙率和孔径大小的规则多孔结构更利于小鼠成骨细胞前体细胞MC3T3-E1在钛合金支架上的黏附、增殖和分化,理论上更利于提升钛合金植入体的骨整合性能。

三种3D打印钛合金骨小梁多孔结构的力学性能及选型

3D打印钛合金骨小梁已成为骨科关节植入物应用的新兴材料,与涂层假体相比,钛合金骨小梁具有骨长入快和骨长入好的优点,而对其力学性能的研究是探究骨小梁假体可植入性的基础。为了保证植入物的安全,目前多采用试验方式确定骨小梁结构的力学性能,进而选出最优结构型。文章对无序仿生、立方、菱形十二面体三种3D打印钛合金骨小梁进行对比分析,通过拉伸、压缩、压缩-剪切试验,发现无序仿生钛合金骨小梁的抗拉强度、抗压强度与抗压-剪强度均高于另外两种结构的骨小梁,因此认为无序仿生钛合金骨小梁结构是制备金属骨小梁髋关节假体的优选型结构。

3D打印钛合金骨小梁人工椎体治疗颈椎后纵韧带骨化症

目的探讨采用3D打印钛合金骨小梁人工椎体治疗颈椎后纵韧带骨化症(ossification of posterior longitudinal ligament,OPLL)的临床疗效。方法回顾性分析2019年9月—2021年8月收治且符合选择标准的45例颈椎OPLL患者临床资料。患者均行颈前路椎体次全切除减压、椎间植骨融合、钛板内固定术,术中采用3D打印钛合金骨小梁人工椎体21例(研究组)、钛笼24例(对照组)。两组患者性别、年龄、病程、病变节段以及术前疼痛视觉模拟评分(VAS)、日本骨科协会(JOA)评分、颈椎功能障碍指数(NDI)、椎体高度、C_(2~7)Cobb角等基线资料比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。记录两组手术时间、术中失血量以及并发症发生情况。术前及术后3、12个月,采用JOA评分、VAS评分及NDI评价患者功能及症状缓解情况;影像学检测椎体高度、C_(2~7)Cobb角,观察术后植入物下沉、椎间融合情况。结果研究组手术时间、并发症发生率均低于对照组(P<0.05),两组术中失血量差异无统计学意义(P>0.05)。患者均获随访,随访时间12~18个月;其中研究组随访时间为(14.28±4.34)个月,对照组为(15.23±3.54)个月,差异无统计学意义(t=0.809,P=0.423)。两组术后JOA评分、VAS评分和NDI均较术前改善,术后12个月较3个月改善,差异均有统计学意义(P<0.05)。术后各时间点研究组JOA评分以及术后12个月改善率均高于对照组(P<0.05),但VAS评分和NDI两组间差异均无统计学意义(P>0.05)。影像学复查示,两组术后3、12个月椎体高度、C_(2~7)Cobb角均较术前增加(P<0.05),术后3、12个月间比较差异无统计学意义(P>0.05);研究组术后各时间点椎体高度、C_(2~7)Cobb角大于对照组(P<0.05),植入物下沉少于对照组(P<0.05),但两组椎间融合差异无统计学意义(P>0.05)。结论与传统钛笼相比,采用3D打印钛合金骨小梁人工椎体治疗颈椎OPLL能缩短手术时间,减少术后并发症及植入物下沉发生,在椎体重建方面更具有优势。

3D打印钛合金骨小梁金属臼杯及组件重建PaproskyⅡ、Ⅲ型髋臼骨缺损的中期疗效分析

目的PaproskyⅡ型和Ⅲ型髋臼缺损是全髋关节翻修术中常见的缺损。在髋臼侧翻修手术中重建骨丢失时,3D打印钛合金骨小梁组件包括金属臼杯和各种组件是一种选择。本研究的目的是分析使用3D打印钛合金骨小梁臼杯和组件修复PaproskyⅡ型和Ⅲ型髋臼缺损的中期结果。方法2015年1月至2018年12月在郑州市骨科医院对23例患者(23髋)使用3D打印钛合金骨小梁金属臼杯及组件进行全髋关节翻修术。其中PaproskyⅡ型缺损19例,PaproskyⅢ型缺损4例。随访期间进行临床和影像学评估。结果23例患者手术时平均年龄66.3岁(58~79岁),平均随访60.1个月(40~78个月)。术后Harris髋关节评分平均为88.3分(68.5~89.0分)。X线片显示,术后髋关节旋转中心与对侧髋关节比较,平均垂直差异为上移1.9 mm(下移4 mm~上移15 mm,P>0.05),差异无统计学意义。术后髋关节旋转中心与对侧髋关节比较,平均水平差异为外移1.4 mm(外移4 mm~内移4 mm,P>0.05),差异无统计学意义,无影像学松动病例,均无需进行翻修手术。结论3D打印钛合金骨小梁髋臼及组件重建治疗PaproskyⅡ型和Ⅲ型髋臼骨缺损的中期随访结果满意。

3D打印钛合金骨小梁金属臼杯全髋关节置换术的短期疗效

目的探究全髋关节置换术中采用3D打印钛合金骨小梁金属臼杯的临床短期疗效。方法选择新疆自治区人民医院关节外科2015-01-2016-05收治的行全髋关节置换术的骨关节炎、股骨头缺血性坏死和髋关节发育不良患者54例,根据患者的髋臼固定方法分为实验组和对照组,分别采用骨水泥人工髋臼杯和3D打印钛合金骨小梁金属臼杯固定,比较两组患者的术后Harris评分、UCLA评分和临床疗效。结果实验组患者的术后Harris评分和UCLA评分明显优于对照组患者,差异有统计学意义,P<0.05;实验组患者临床治疗总有效率81.48%,对照组59.26%,两组临床治疗总有效率差异有统计学意义,P<0.05。结论 3D打印钛合金作为临床新型医疗器械具有广泛在应用前景,3D打印钛合金骨小梁金属臼杯在全髋关节置换术患者中髋臼固定,促进髋关节的术后恢复,提高临床疗效,并发症发病率低,值得在临床上推广使用。

基于国产3D打印TTM垫块重建髋臼骨缺损的临床研究

目的探讨采用国产3D打印钛合金骨小梁金属(TTM)垫块联合生物型臼杯重建髋臼骨缺损的效果。方法回顾性分析2015年3月至2018年7月郑州市骨科医院收治的45例(45髋)髋关节重建髋臼骨缺损患者的临床资料。按照髋臼重建方法将患者分成TTM垫块组(22例,22髋)和植骨组(23例,23髋)。TTM垫块组通过术前3D打印构建模型,实施模型手术预演,选用合适的TTM垫块联合生物型臼杯完成重建和假体安置;植骨组选用生物型臼杯联合同种异体骨进行髋关节重建。术后所有患者均按时随访,随访时间12~30个月,平均19.46个月。记录两组患者手术前后髋关节功能及并发症发生情况,应用影像学检查观察假体骨长入情况及髋关节旋转中心位置变化。结果末次随访时,TTM垫块组Harris髋关节功能评分及视觉模拟评分法(VAS)评分[(92.90±4.46)、(1.09±0.52)分]均高于植骨组[(84.56±2.88)、(2.21±0.59)分],P均<0.05。末次随访时,TTM垫块组髋臼旋转中心与泪滴连线的垂直距离和泪滴与髋关节旋转中心的水平距离均优于植骨组(P均<0.05)。末次随访影像学检查结果显示,TTM垫块组假体与宿主骨交界处骨长入良好。结论对髋臼骨缺损采用国产3D打印TTM垫块联合生物型臼杯重建,初始稳定性及骨长入良好,髋关节旋转中心和髋关节功能恢复良好,并发症少。