骨科钛合金内植物表面氧化钛纳米管改性的研究进展

1引言 在创伤外科领域,内固定手术成功与否的关键之一在于植入材料与周围骨的结合情况,两者结合稳定性越高,则植入后松动的可能性就越小。

辛伐他汀对去卵巢大鼠脊椎椎体骨形成功能影响的实验研究

目的观察辛伐他汀对去卵巢大鼠腰椎椎体骨形成功能的影响,评价辛伐他汀对躯干骨骼的骨质疏松是否具有预防和治疗作用。方法 6月龄雌性SD大鼠60只,每组10只,50只切除双侧卵巢分为剂量组和对照组,另10只作为假手术平行对照组。以不同剂量辛伐他汀(5 mg、10 mg、20 mg及40 mg/kg/d)灌胃。三个月后分别行腰4椎体的双能X线骨密度测试,周围定量CT(pQCT)纵向扫描和腰5椎体的生物力学压缩测试。结果 (1)骨密度和pQCT扫描值:10 mg、20 mg剂量组数值较高,但皆无统计学差异。(2)生物力学测试:10 mg、40 mg剂量组数值较高,但无统计学差异。结论辛伐他汀10 mg/kg/d灌胃组(相当人体口服辛伐他汀12 mg～24 mg/天)在多数指标中好于其它剂量组,但未发现明显统计学差异。说明辛伐他汀对去卵巢大鼠的躯干骨骼并不具有明显的骨形成促进作用,即对脊柱椎体的骨质疏松并不具有预防和治疗的作用。

骨科内植物表面细胞生物反应与纳米化改性

钛合金内植物具有良好的生物相容性，然而，其界面骨整合效果并不理想，易导致内植物松动和脱落。传统的内植物界面改性技术，包括机械方法（如切削、磨刻、抛光、爆喷等）、化学方法（如酸蚀、碱蚀等）和生物涂层方法，并未从根本上解决植入界面骨整合不足的问题。纳米材料和基于钛合金的表面纳米化改性技术，改变了细胞与材料表面的相互作用，有利于骨细胞生长和骨组织再生。

Piezo1通过激活mtDNA-cGAS-STING信号通路诱导软骨细胞损伤的作用和机制研究

目的力学超载在骨关节炎(OA)进展中的作用尚不清楚,而DNA损伤是OA主要病理因素之一。本研究旨在探索力学超载对线粒体DNA(mt DNA)-c GAS-STING信号通路的影响及其机制,为OA的预防和治疗提供新的靶点。方法利用15%幅度的轴向应力作用于软骨细胞系ATDC5细胞,并评估其piezo1激活、胞内及线粒体钙超载、线粒体损伤、胞内DNA泄露和炎症因子表达。同时,结合敲基因小鼠和临床OA标本,观察软骨细胞中piezo1与线粒体损伤和c GAS-STING通路之间的关系。结果力学超载可激活piezo1通路,导致胞内钙离子过载。这些钙离子通过线粒体钙单向转运蛋白(MCU)复合体进入线粒体内,引发线粒体内钙超载,并导致mt DNA通过线粒体通透性转换孔(m PTP)释放到细胞质中。进一步的研究表明,这一过程激活了c GAS-STING通路,加重了下游炎症反应,导致细胞损伤。然而,通过STING的药理学抑制以及mt DNA释放的抑制,观察到了炎症反应的降低,从而支持了细胞质mt DNA诱导的炎症反应。结论研究揭示了在力学超载条件下,piezo1激活mt DNA-c GAS-STING通路,导致软骨细胞的炎症发生和损伤。维持线粒体DNA完整性对于预防软骨细胞损伤至关重要。这些发现为OA的治疗提供了新的方向,强调了保护线粒体功能的重要性。

力学刺激在破骨细胞分化中的作用

骨组织细胞主要有成骨细胞、破骨细胞、骨细胞3种类型,与细胞外基质共同维持骨的结构完整性和功能性。破骨细胞专门负责骨吸收,通过释放酸性物质和蛋白水解酶降解骨基质,发挥骨吸收作用;通过与成骨细胞相互协调,共同维持骨稳态。破骨细胞增多,导致骨吸收增加,从而引起骨质疏松症等骨骼疾病;破骨细胞生成过少,将导致骨吸收减弱等相关疾病,例如骨硬化症。因此,对于破骨细胞功能的精确调控,在维持骨稳态的平衡中发挥极为关键的作用。既往研究多从生物化学角度解释和阐述各种生物因素对破骨细胞的调控。然而越来越多的研究证实,力学刺激在破骨细胞分化过程中发挥着重要的作用。本文着眼于力学刺激对破骨细胞分化的影响,讨论力学刺激在其中可能发挥的作用,并对该领域的新发现以及未来的发展进行探讨。

IL-1β和TNF-α对软骨细胞基质降解的影响及相关机制研究

目的研究白介素-1β(IL-1β)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)对关节软骨细胞外基质降解的作用及相关分子机制。方法体外培养大鼠原代关节软骨细胞,单独或联合使用IL-1β和(或)TNF-α刺激软骨细胞,分别设为IL-1β刺激组、TNF-α刺激组、IL-1β和TNF-α联合刺激组;另设无任何刺激的对照组。在细胞培养24、48、72h时点,采用倒置显微镜观察软骨细胞外基质的变化;采用Real-TimePCR法检测基质金属蛋白酶-13(MMP-13)、蛋白聚糖降解酶-1(Adamts-4)和蛋白聚糖降解酶-2(Adamts-5)mRNA的表达。结果细胞在培养48、72h时点,显微镜观察显示对照组与TNF-α刺激组的软骨细胞外基质降解情况无明显差异;IL-1β刺激组、IL-1β和TNF-α联合刺激组细胞外基质失染、降解,细胞形态缩小,细胞间隙增宽。与对照组比较,细胞培养24h时点,IL-1β刺激组MMP-13、Adamts-4和Adamts-5mRNA的表达显著上调(P<0.01);而在培养48、72h时点有所下调。IL-1β和TNF-α联合刺激组与IL-1β刺激组比较,在培养各时点,MMP-13、Adamts-4和Adamts-5mRNA表达差异均无统计学意义(P>0.05)。结论 IL-1β诱导软骨细胞产生大量的MMP-13、Adamts-4和Adamts-5而直接降解软骨细胞外基质;TNF-α可能不直接引起软骨细胞外基质的降解。

颈部肌肉作用下颈椎牵引的生物力学特性

目的建立C1~7全颈椎三维有限元模型,研究其在颈部肌肉作用下颈椎牵引的生物力学特性,为临床颈椎牵引的治疗提供参考。方法建立正常颈椎的三维非线性有限元模型,在此基础上结合临床颈椎牵引的方法,利用生物力学分析软件进行建模仿真,在牵引重量一定的情况下,用后伸0°、10°、20°、30°、40°进行牵引,获得关节力和肌肉力,筛选合适的关节力和肌肉力对颈椎模型进行有限元分析。结果颈椎后伸牵引过程中,在肌肉力的作用下,颈椎椎体、椎间盘、钩椎关节的平均最大等效应力分别增加4.86、1.79、0.69 MPa,颈椎椎体的平均最大相对位移在矢状轴、垂直轴方向上分别增加5.53、0.63 mm。颈椎后伸牵引的生物力学特性与文献中的有限元分析结果相近。结论颈部肌肉对颈椎各椎体、椎间盘以及钩椎关节应力及位移的增加具有较大的促进作用。临床上行颈椎后伸牵引时,应考虑到颈部肌肉的作用,牵引角度不宜过大,推荐0°~20°是颈椎牵引初期相对安全的角度范围。

CT和MRI图像配准融合联合3D打印技术在难治性骨盆肿瘤术前规划中的应用

目的·探讨CT、MRI图像配准融合联合3D打印技术,在辅助难治性骨盆肿瘤术前规划中的应用价值。方法·回顾性总结2014年3月至2016年12月于上海交通大学医学院附属第九人民医院接受治疗的难治性骨盆肿瘤病例,术前常规行薄层CT、MRI检查,借助Medraw软件实现CT、MRI图像快速配准融合,精确判定肿瘤安全边界,辅助设计并3D打印个体骨盆肿瘤模型、假体和(或)导板。结果·共纳入难治性骨盆肿瘤患者13例(软骨肉瘤8例、骨肉瘤合并动脉瘤样骨囊肿1例、未分化性肉瘤1例、纤维结缔组织增生性纤维瘤1例、孤立性纤维瘤/血管外皮瘤1例、转移性鳞癌1例),平均年龄(50.0±8.5)岁。基于Enneking分区:Ⅰ区2例、Ⅰ+Ⅱ区2例、Ⅱ+Ⅲ区1例、Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ区3例、Ⅰ+Ⅱ+Ⅳ区1例、Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ区1例、Ⅰ+Ⅳ区1例、Ⅱ+Ⅳ区1例、Ⅳ区1例。肿瘤最大直径平均值(15.15±4.81)cm,均未累及盆腔大血管。结合术中肿瘤边界快速冰冻结果及假体安装情况,判断基于融合图像的术前评估、规划的虚拟手术方案与手术的实施一致。结论·薄层CT、MRI图像配准融合联合3D打印技术,可以精确判定难治性骨盆肿瘤边界,辅助临床设计个体化3D打印假体和导板,在难治性骨盆肿瘤术前规划中具有重要的临床应用价值。

3D打印个体化导板在骨肿瘤经皮穿刺活检中的初步应用

目的·初步探讨基于影像图像数字化处理及3D打印技术设计的个体化导板应用于骨肿瘤经皮穿刺活检手术的可行性。方法·回顾性分析2017年7月—2018年3月以骨肿瘤诊断收治入上海交通大学医学院附属第九人民医院行活检穿刺的患者11例(男6例,女5例;年龄7~69岁,平均36岁)。术前常规行CT和MRI增强检查,DICOM数据导入Medraw Print软件,记录肿瘤的大小、位置;骨科医师明确进针方位后,依据特定骨肿瘤区域的解剖结构,设计并3D打印个体化穿刺导板。记录术中3D打印个体化导板与穿刺解剖结构匹配程度及进针位置,观察术后有无并发症。以X线或CT证实穿刺是否成功,并以开放手术的病理结果为参考标准,评估穿刺结果的准确性。结果·11例患者包括股骨4例、骨盆3例、胫骨2例、肩胛骨及掌骨各1例,3D打印个体化导板基本贴合穿刺部位解剖结构,进针方位深度均与术前设计方案一致,术中无重要解剖结构损伤,术后未出现血管、神经损伤症状。8例(88.9%)患者穿刺送检组织与术后病理良恶性结果基本一致,2例患者因穿刺活检为良性肿瘤未行骨肿瘤切除术。结论·基于影像图像数字化处理及3D打印技术设计的个性定制导板能够实现骨肿瘤的精准穿刺,对提升骨肿瘤术前诊断的准确性以及优化治疗方案具有重要意义。

不同屈曲角度下膝关节主要韧带有限元模型的建立和验证

背景:随着计算机技术和有限元理论的发展,通过建立膝关节主要韧带的有限元模型进行生物力学研究开始成为最重要的研究方法之一,而如何建立不同屈曲角度下的精确而有效的膝关节模型也成为了研究者们关注的焦点。目的:探索建立不同屈曲角度下膝关节主要韧带有限元模型的方法并进行验证。方法:解剖膝关节标本,去除周围软组织并暴露主要韧带。将韧带用钢丝环绕标记后用CT机在不同屈曲角度下扫描,去除韧带组织后再将韧带止点打孔标记并用CT机扫描。将得到的图像数据导入到仿真软件MIMICS中进行三维重建。将三维模型进行必要的修饰和调整后导入有限元软件ANSYS中,在设置材料属性和划分网格后生成三维有限元模型。在有限元软件中对完全伸直角度下的有限元模型采用134N前向力作用于胫骨,采集胫骨前移的数据并观察韧带受力情况以验证模型的有效性。结果与结论:得到的模型外形精确逼真,包括股骨、胫骨、前后交叉韧带和内外侧副韧带,并且通过与其他学者的类似数据以及临床经验的比较验证了模型的有效性。实验所得到的模型具有较好的形态仿真和功能仿真,能够在不同屈曲角度下有效的模仿膝关节活动,可以用于开展进一步的生物力学研究。

数字化技术辅助的中国人髋臼朝向三维测量

目的·开发一种精确可靠的三维测量技术,实现国人髋臼朝向的三维测量。方法·筛选60例(男女各30例)因非骨科疾患行双下肢CT扫描患者,获取CT数据,自主开发软件,验证其精确性和可靠性,实现骨盆三维建模,手工选点、迭代优化骨盆三维坐标系,基于模型表面实现髋臼参数的半自动测量,并描述中国人髋臼形态特征。结果·基于三维模型的髋臼测量技术有极好的可靠性(相关系数>0.999)和精确性。男女性相比,女性髋臼前倾角显著大于男性(平均3.1°,95%CI 2.0°~4.2°,P=0.004),解剖学外展角亦显著大于男性(0.9°,95%CI 0.4°~1.4°,P=0.028)。髋臼朝向双侧对比差异无统计学意义,部分个体双侧存在差异,前倾角相差最大为9.1°,外展角最大相差5.7°。结论·髋臼朝向在男女性间比较差异有统计学意义(P<0.05);整体上髋臼朝向变异范围较大,尤其是前倾角;个体髋臼朝向基本呈双侧对称。髋臼的三维测量及分析有助于髋关节疾患的诊治及假体设计。

骨质疏松患者股骨头不同区域骨结构与生物力学分析

目的探讨老年股骨颈骨折病人的股骨头样本各个区域的结构和生物力学性能差异,研究不同区域显微结构和生物力学特征及其对内固定物的影响。方法收集20个老年股骨颈骨折病人关节置换术后股骨头标本,以股骨头表面解剖标志点为参照,将股骨头按平分方法分为外侧、内侧、中间三部分。确定环钻的位置和钻取方向,用环钻于不同区域钻取直径10 mm、高10 mm圆柱形松质骨柱。通过Micro-CT系统扫描分析,分析不同区域内松质骨柱数据,包括骨体积分数(BVF)、骨小梁间隙(Tb.Sp)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数目(Tb.N)、骨表面积体积比(BS/BV)、结构模型指数(SMI)。应用微有限元计算不同区域骨组织的力学差异。结果老年股骨头颈内骨质含量下降,显微结构和生物力学性能区域变化明显,中间区域的骨结构和力学性能明显优于内侧和外侧。结论股骨头中间部位骨骼结构和力学强度明显优于内侧和外侧,在临床治疗骨质疏松股骨颈骨折的时候需要充分考虑内固定的部位。

颈椎牵引过程中颈部肌电信号变化规律与力学特点

目的观察颈椎牵引在不同加载质量和牵引角度时颈部肌肉表面肌电(electromyography,EMG)信号的变化特点,并与Any Body软件颈椎建模仿真所得的相关肌肉力活性变化特点进行对比,验证仿真结果的合理性。方法选取10例青年志愿者,行仰卧位颈椎牵引,JE-TB0810表面肌电仪测试颈部双侧胸锁乳突肌、斜方肌上部EMG信号,利用平均肌电值(average EMG,AEMG)和平均功率频率(mean power frequency,MPF)分析颈部EMG信号的变化规律。结果斜方肌上部和胸锁乳突肌AEMG均随着加载质量和牵引角度的增大而增大,差异均具有统计学意义(P<0.05),斜方肌上部AEMG较胸锁乳突肌高,差异有统计学意义(P<0.05);2对肌肉在不同牵引角度和加载质量下MPF比较,差异无统计学意义(P>0.05);实验结果与颈椎牵引建模仿真所得斜方肌上部和胸锁乳突肌肌肉力活性特点相符。结论仿真结果具有一定的合理性,临床上可根据颈部肌肉的兴奋程度和疲劳时间合理施加牵引重量,既达到治疗效果,也提高患者的舒适性,为颈椎牵引设备的进一步研制和改进提供重要参考。

股骨近端解剖参数的自动化三维测量

目的基于解剖标志建立股骨三维坐标系,实现股骨近端解剖参数的自动化测量,辅助术前规划及个性化股骨柄设计。方法自主研发专用于股骨解剖测量的Femeter软件,可读取显示股骨STL模型,手工选取目标解剖标志点。运用半球形搜索迭代方法实现髓腔快速三维建模,运用经典最小二乘拟合等算法实现股骨头半径、颈干角、前倾角等相关16个测量参数的自动计算。结果通过30例股骨STL模型进行测量实验,平均单次测量的算法执行时间为（0.95±0.16）s,9个解剖测量项的评定者内和评定者间可靠性较高（组内相关性系数为0.907~0.999）。结论 Femeter软件的自动建模和测量算法执行速度较快,测量可重复性较好,操作简易,适用于临床。自动化三维股骨近端解剖测量可为人工全髋关节置换术前规划、股骨柄选择和个性化股骨柄设计提供可靠数据。

3D打印钛合金个性化骨盆假体静态和步态有限元分析

目的通过有限元分析方法评价3D打印个性化钛合金骨盆假体在站立位静态和步态下的生物力学性能。方法选取3例不同类型的骨盆肿瘤患者,拟行半骨盆切除人工半骨盆置换术。术前行CT和MRI检查,设计相应的个性化钛合金人工半骨盆假体,利用三维重建技术进行骨盆重建,并与个性化骨盆假体装配。通过AnyBody软件建立患者的人体骨肌系统模型并进行步态动力学分析。导入ABAQUS软件,得到3例重建骨盆模型在静态和步态条件下的应力分布和应力集中区域。结果在静态和步态条件下,3例3D打印钛合金骨盆假体的最大应力均小于钛合金的屈服强度,重建骨盆的骨盆环能够满足应力传导规律,患者术后恢复正常。结论 3D打印个性化钛合金骨盆假体对恢复骨盆环的应力传导效果良好,其有效性和稳定性能够满足人体生物力学要求,分析结果可为临床医生和假体设计人员提供参考。

4种物理检查方法在前交叉韧带完全断裂诊断中的应用价值

目的·探讨4种物理检查方法在前交叉韧带完全断裂诊断中的应用价值。方法·对2016年7月11日—2017年6月10日100例因单侧膝关节外伤初诊怀疑膝关节韧带或半月板损伤而接受手术治疗患者的资料进行回顾性分析。患者均接受以下物理检查:Lachman试验、前抽屉试验、杠杆试验和轴移试验。以术中关节镜检查结果为金标准,对4种物理检查对于前交叉韧带完全断裂诊断的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值、阳性似然比、阴性似然比、准确度等进行综合性分析。结果·经关节镜检查证实,100例患者中确诊为前交叉韧带完全断裂81例;对于前交叉韧带完全断裂的患者,前抽屉试验、杠杆试验、轴移试验、Lachman试验的灵敏度分别为87.7%、100.0%、97.5%、96.3%,特异度分别为84.2%、78.9%、73.7%、63.2%,阳性预测值分别为95.9%、95.3%、94.0%、91.8%,阴性预测值分别为61.5%、100.0%、87.5%、80.0%,准确度分别为87%、96%、93%、90%,阳性似然比分别为5.6、4.7、3.7、2.6,阴性似然比分别为0.1、0、0、0.1。结论·前抽屉试验确定前交叉韧带完全断裂最有效;杠杆试验排除前交叉韧带完全断裂最有效,且敏感性强,易于操作,对于新鲜、急性损伤及患肢肿胀肥胖患者更为适宜,其诊断价值较高。

TRAF3抑制IL-17引起的软骨破坏作用

目的研究肿瘤坏死因子受体相关因子3(TRAF3)对白介素-17(IL-17)刺激的软骨细胞中丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)和核因子κB(NF-κB)信号通路及其下游产物表达的影响;观察TRAF3转基因小鼠IL-17刺激的关节软骨破坏情况,探讨TRAF3的软骨保护作用。方法 Western blotting检测正常软骨细胞和TRAF3基因过表达软骨细胞中IL-17刺激的MAPK和NF-κB信号通路的变化,Real-Time PCR检测正常软骨细胞和TRAF3基因过表达软骨细胞中IL-17刺激的下游炎症因子IL-6、基质金属蛋白酶-13(MMP13)、含Ⅰ型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶-4(ADAMTS-4)和ADAMTS-5 mRNA的表达变化,组织化学技术观察注射IL-17野生型小鼠与TRAF3转基因小鼠关节软骨变化的差异。结果 TRAF3的过表达能显著抑制经IL-17刺激软骨细胞中MAPK和NF-κB信号通路,使下游炎症因子IL-6、MMP13、ADAMTS-4和ADAMTS-5 mRNA的表达显著下调;TRAF3转基因小鼠IL-17引起的关节软骨降解显著较野生型小鼠减轻。结论作为IL-17信号通路的负调控抑制剂,TRAF3可能成为抑制关节炎软骨破坏的新靶点。

股骨转子间骨折手术方法的选择

股骨转子间骨折多见于老年人,常合并骨质疏松及其他疾病,治疗较棘手,约占全部髋部骨折的45%,其中不稳定者占35%~40%。随着人口老龄化,其发生率逐年增加。由于非手术治疗存在卧床时间长、并发症多等缺点,目前多主张早期手术治疗。手术方法可分为骨折复位内固定和人工关节置换两大类。骨折类型、骨折复位质量、植入物选择等因素均影响着骨折的治疗和预后。本文将对有关股骨转子间骨折手术治疗的若干热点问题作一述评，供临床参考。

力学因素在间充质干细胞构建功能性组织工程化软骨中的作用

间充质干细胞具有多向分化潜能,可定向分化为软骨组织,并且取材广泛、体外扩增能力强,是广泛应用于软骨组织工程的理想细胞之一。由于关节软骨具有重要的生物力学功能,需要强调和评估间充质干细胞构建组织工程化软骨组织的力学生物学性能。为更好地了解和认识修复软骨的诱导因素、信号通路与力学特性之间的关系,本文回顾了间充质干细胞在功能性软骨组织工程研究中的力学生物学研究进展,并论述了该领域内目前存在的问题及若干可供探索的途径和新方向。