骨科植入金属材料表面电化学制备磷酸钙涂层方法及机理研究

目的 探讨骨科植入金属材料表面化学制备磷酸钙涂层方法及机理。方法 首先在控制钙/磷摩尔比条件下采用滴定法建立磷酸钙的沉淀边界pH曲线,然后根据曲线确定4种涂层工作溶液浓度和pH。接着利用线性扫描伏安法确定4种溶液中在不同电极电位下所发生的界面阴极反应,并明确合适的工作电位。结果 滴定测得磷酸钙溶液的沉淀边界曲线显示,当溶液pH低于边界0.7~1.2时溶液可保持3天以上不发生沉淀且可以稳定形成涂层。电化学沉积电位的合理区间为-1.0~-1.2 V。将pH控制在沉淀边界以下(~1.0),选择-1.15 V为电化学沉积的工作电位,在4种工作溶液中均成功制备了磷酸八钙为主要相的涂层。通过电极反应动力学研究了电流-时间关系,发现涂层形成初期氢离子还原为涂层沉积提供了初始过饱和度,水分子还原为涂层生长提供持续的驱动力。结论 成功确定了电化学沉积磷酸钙的关键条件并阐述了涂层生成机理,且该涂层方法也已成功应用于钽金属,具有广泛适用性。

原生喙锁韧带及柔性重建后有限元仿真和实验测试

背景:对于以喙锁韧带断裂造成的肩锁关节脱位,单束和双束重建为常见修复方式,深化研究对比二者修复的应力分布和骨折风险具有重要意义。目的:研究喙锁韧带的生物力学性能,对比单束和双束重建肩锁关节的固定效果、应力分布和破坏形式。方法:①有限元仿真分析:利用Mimics、Wrap和SolidWorks软件分别建立正常喙锁韧带、单束重建和双束重建肩锁关节模型,利用Ansys软件分析锁骨垂向受载时各模型肩胛骨和锁骨的应力和变形情况;②标本实验:取15个完整的人体肩胛骨-锁骨标本,随机分为5组处理,每组3个:A组切断肩锁韧带,保留完整的喙锁韧带;B组切断肩锁和斜方韧带,保留完整的锥状韧带;C组切断肩锁和锥状韧带,保留完整的斜方韧带;D组切断肩锁和喙锁韧带,采用单束重建修复喙锁韧带;E组切断肩锁和喙锁韧带,采用双束重建修复喙锁韧带。利用力学试验机进行力学实验,分析肩胛骨和锁骨的生物力学状态、应力分布和破坏形式。结果与结论:①有限元仿真分析:正常喙锁韧带附着标本喙突的平均应力最小,其相对于单束和双束重建模型喙突骨折的风险较小;单束和双束重建模型的喙突平均应力相当,二者骨折风险接近;②标本实验:A-E组标本的刚度分别为(26.4±3.5),(19.8±2.8),(21.3±3.2),(57.7±4.1),(46.2±2.8)N/mm,极限载荷分别为(545.5±53.7),(360.1±42.1),(250.9±44.4),(643.5±39.1),(511.9±31.7)N,D、E组标本的整体刚度高于A组(P=0.00006,0.0003),D组极限承载高于A组(P<0.05),E组极限承载和A组无差异(P>0.05);A-C组为韧带断裂,D、E组为喙突骨折;③结果显示:从生物力学角度分析,对于肩锁关节脱位中的喙锁韧带断裂,单束和双束重建均为有效的治疗技术,但均增加了骨折风险,其中双束重建分散了钢板应力、减小了钢板和骨质的接触力,但稍微降低了极限承载力,应根据临床实际情况选用单束或双束重建。

不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的有限元及生物力学分析

背景:骨盆稳定性主要由骨盆后环决定及骶髂关节决定,车祸等高能量冲击带来的骨盆后环损伤及骶髂关节脱位病例逐年递增。手术治疗是最优方法,临床中存在多种内植物修复方式,但哪种治疗方式的生物力学性能最优仍有一定争议。目的:对比前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉3种内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的生物力学性能,为其临床治疗及骨盆新型拉力钉研发提供参考。方法:①有限元仿真:利用Mimics、Wrap和SolidWorks分别建立正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复模型,利用Ansys分析模型的应力和变形情况;②生物力学实验:用15个完整骨盆标本随机分为5组,分别为正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复组,并用Instron E10000力学试验机进行力学测试。结果与结论:①仿真分析结果显示,正常骨盆模型骶骨平均位移为0.174 mm,骶髂骨最大应力为10.51 MPa,应力分布均匀;单侧不稳定损伤骨盆模型骶骨平均位移最大,为0.267 mm,模型应力集中明显;3种修复模型骶骨平均位移都接近正常骨盆模型,拉力钉修复模型骶髂骨应力分布均匀;②力学实验结果显示,正常骨盆模型整体刚度为(226.38±4.18)N/mm,单侧不稳定损伤骨盆模型整体刚度最小为(130.02±2.19)N/mm,3种修复方式整体刚度和正常骨盆偏差都在±10%以内,修复效果明显;③仿真结果和力学实验结果相符;④从生物力学角度分析,拉力钉修复模型的生物力学状态与正常骨盆最接近,该种方式最佳;前路双钢板修复刚度过大,应力遮挡效果更显著;后路桥接钢板修复不能解决正常侧软组织的代偿效果,存在缺陷;该研究可为临床手术提供优选依据;⑤骨盆新型拉力钉应从拉力钉的角度进行改良,保留拉力钉良好的生物力学性能,同时附加其他优势性能,例如可用于骨质疏松骨盆等。

溶胶浸渗结合电沉积制备氧化镁-磷酸钙复合抗菌涂层

背景:磷酸钙(CaP)涂层被广泛用于改善钛植入物与骨的整合,但存在感染风险,因此有必要赋予CaP涂层抗菌能力。目的:通过氧化镁(MgO)溶胶浸渗制备MgO-CaP复合涂层,评价其体外抗菌能力和细胞相容性。方法:通过滴定法确定CaP电沉积的电解液条件,在钛表面制备CaP涂层(记为Ti-CaP);采用不同质量分数(15%,30%,50%)的MgO溶胶浸渗处理CaP涂层并煅烧成为MgO-CaP复合涂层,分别记为Ti-CaP-15Mg、Ti-CaP-30Mg和Ti-CaP-50Mg,表征涂层的微观形貌、拉伸性能、临界载荷与体外Mg^(2+)释放情况。将金黄色葡萄球菌菌液分别接种于纯钛片及Ti-CaP、Ti-CaP-15Mg、Ti-CaP-30Mg和Ti-CaP-50Mg表面,24,48 h后采用稀释涂布平板法检测抗菌率。将小鼠成骨细胞悬液分别接种于纯钛片及Ti-CaP、Ti-CaP-15Mg、Ti-CaP-30Mg和Ti-CaP-50Mg涂层钛片表面,采用CCK-8法检测细胞增殖,计算细胞存活率;同时观察复合涂层浸泡于DMEM培养基中的微观形貌变化。结果与结论:①电沉积在钛表面制备出由片状磷酸八钙晶体堆积组成的多孔CaP涂层,经浸渗-煅烧处理后,MgO颗粒聚集填充磷酸八钙晶体的间隙,并且填充程度随MgO含量增加而上升;3组复合涂层第1天均出现Mg^(2+)快速释放,从第3天开始Mg^(2+)释放速率明显下降,至第7天仍可检测出少量Mg^(2+)释放;Ti-CaP-30Mg涂层钛片的屈服强度、抗拉强度、断裂生长率与纯钛片比较差异均无显著性意义(P>0.05);Ti-CaP、Ti-CaP-15Mg、Ti-CaP-30Mg和Ti-CaP-50Mg组临界载荷比较差异无显著性意义(P>0.05)。②除纯钛片及Ti-CaP无抗菌性能外,其余样品均具有良好的抗菌性能,并且抗菌率随涂层中MgO含量的增加而增大。③共培养1,3 d,Ti-CaP-15Mg组、Ti-CaP-30Mg组和Ti-CaP-50Mg组细胞存活率低于纯钛组、Ti-CaP组(P<0.05);培养5,7 d,5组间细胞存活率比较差异无显著性意义(P>0.05);随着浸泡于培养基中时间的延长,涂层中MgO的含量逐渐减少。④结果表明,通过MgO浸渗处理赋予CaP涂层抗菌性的同时保持了其生物相容性。

新型骶髂拉力钉力学性能评价

目的研究一种具有螺旋刀片结构新型骶髂拉力钉的生物力学性能。方法用临床中常用的骶髂经皮拉力钉作为对照。使用聚氨酯材料模拟松质骨,利用Instron力学试验机测试对比抗拔出性能。然后使用骨盆标本,以正常骨盆、单侧骶髂关节损伤骨盆、骶髂经皮拉力钉-单钉修复、骶髂经皮拉力钉-双钉修复骶髂关节损伤为对照,分析新型骶髂拉力钉修复正常站立姿态骶髂关节损伤的静态刚度和动态稳定性。结果新型骶髂拉力钉组拉力钉拔出后的聚氨酯材料破坏更小。新型骶髂拉力钉抗拔出的有效把持位移显著大于骶髂经皮拉力钉(P<0.05)。但骶髂经皮拉力的最大抗拔出力显著大于新型骶髂拉力钉(P<0.05)。骶髂关节损伤修复后,采用1枚骶髂新型骶髂拉力钉刚度显著高于骶髂经皮拉力钉-双钉修复组(P<0.05)。骶髂关节损伤组的位移振幅最大,其次为正常组;其余组别的位移振幅较为接近,但差异具有统计学意义(P<0.05)。新型骶髂拉力钉修复的动态稳定性最优,略优于骶髂经皮拉力钉-双钉修复组,骶髂关节损伤组的稳定性最差。新型骶髂拉力钉能有效修复骶髂关节损伤。结论骶髂新型骶髂拉力钉能更有效地把持松质骨,具有一定的临床实用性。

下胫腓联合新型微动弹性植入物背伸位力学分析

目的研究下胫腓联合新型微动弹性植入物背伸位的力学性能。方法采用仿真和实验结合的方式。利用Mimics和CT数据建立踝关节背伸位正常模型、骨钉修复模型和微动弹性植入物修复模型,并用ANSYS Workbench进行有限元分析。采用Instron E10000力学实验机对下肢标本进行力学实验,分别测5组实验数据并分析。结果背伸位微动弹性植入物修复和正常模型的各项力学性能都更接近,但微动弹性植入物的应力大于骨钉应力。双尾分布的双样本异方差t检验结果表明,微动弹性修复模型和正常模型的反抗扭矩无显著性差异。结论对背伸位,下胫腓联合微动弹性植入物修复力学性能优于骨钉修复;微动弹性植入物还有优化空间。

负载表没食子儿茶素没食子酸酯硅酸钙微球的制备及抗菌性能评价

背景:茶多酚的主要活性成分为表没食子儿茶素没食子酸酯,其具有抗氧化、抗菌、抗凋亡、抗炎等多种生物学功能。为实现表没食子儿茶素没食子酸酯的可控释放、提高其生物利用度,开发具有生物活性的茶多酚载体是亟待解决的难题。目的:制备高效负载表没食子儿茶素没食子酸酯的微球,同时加测其抗菌性能及生物相容性。方法:采用化学沉淀法分别制备硅酸钙微球与二氧化硅微球,利用X射线光电子能谱、透射电镜、场发射扫描电子显微镜、比表面积分析仪、激光粒度分析仪对微球的性能进行表征。将两种微球分别浸泡于表没食子儿茶素没食子酸酯溶液中,制备负载表没食子儿茶素没食子酸酯的硅酸钙微球与二氧化硅微球(分别记为CSM-EGCG、SM-EGCG),检测微球的载药量及包封率,以及体外表没食子儿茶素没食子酸酯的释放情况。将未载药的硅酸钙微球、二氧化硅微球及CSM-EGCG、SM-EGCG分别与金黄色葡萄球菌、大肠杆菌共培养,检测抑菌率。将上述4种微球分别与人皮肤成纤维细胞共培养,通过CCK-8法评估细胞活性。结果与结论:①表征实验结果显示,硅酸钙微球和二氧化硅微球均为介孔微球,分散性好,硅酸钙微球的比表面积、总孔体积、平均孔径均大于二氧化硅微球;②CSM-EGCG的包封率为(72.0±0.5)%,载药量为(58.4±0.4)%;SM-EGCG的包封率为(41.6±0.7)%,载药量为(45.0±1.3)%;CSM-EGCG微球较SM-EGCG微球具有更好的药物携载能力,且体外释药时间可持续19 d以上,累计释放量达到(88.1±3.0)%;③二氧化硅微球无抗菌能力,硅酸钙微球、SM-EGCG、CSM-EGCG对金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为(28.0±4.2)%,(63.9±1.0)%,(95.6±0.5)%,对大肠杆菌的抑菌率分别为(27.5±7.0)%,(51.9±1.4)%,(93.4±1.0)%;④CCK-8检测显示,硅酸钙微球及CSM-EGCG具有良好的细胞相容性,具有促进人皮肤成纤维细胞增殖的能力;⑤结果表明,负载表没食子儿茶素没食子酸酯的硅酸钙微球具有良好的抗菌性及细胞相容性。

电泳沉积制备微弧氧化钛表面氧化镁涂层及其生物学性能

骨科钛内置物存在感染的风险,需要开发具有抗菌性、生物相容性且不易产生耐药性的表面涂层。通过电泳沉积15、30、45、60s在微弧氧化(MAO)的钛表面制备了4组纳米氧化镁(MgO)涂层。MgO颗粒在MAO表面形成均匀涂层,覆盖率随电泳时间延长。与金黄色葡萄球菌共培养6 h后, 4组样品抗菌率分别为1%、69%、83%、84%;共培养24h后抗菌率分别为81%、86%、89%、98%。显微观察发现MgO沉积样品表面黏附细菌密度、活细菌比例均随沉积时间延长而减少。与小鼠成骨细胞共培养1d后,4组样品存活率(相对空白孔板中所接种细胞)分别为108%、89%、53%、27%,5d后分别为139%、117%、112%、66%。荧光显微观察发现MAO样品表面未见死细胞,而MgO沉积样品表面死细胞比例随沉积时间延长而增加,但在实验周期(5d)内均<5%。本研究表明电泳沉积30 s制备的MgO涂层具有良好的体外抗菌性和生物相容性。

自主研制新型肩胛颈部解剖锁定钢板的生物力学对比

目的将自主研制新型肩胛颈部解剖锁定钢板与Watson重建接骨板进行生物力学对比分析,观察其生物力学方面的特点及优势。方法选取12具防腐、湿润的成人肩胛骨尸体标本(男7具,女5具),造模成肩胛颈骨折(Miller分型II B型)标本,根据取标本的先后顺序及性别随机分为实验组和对照组:实验组采用新型肩胛颈部解剖锁定钢板内固定,对照组采用Watson重建接骨板内固定。将标本安置钢板后在生物力学实验机上分别进行肩胛颈部抗拉伸实验、钢板螺钉抗拔出实验、动态疲劳实验。通过与实验终端相连接的计算机采集实验数据,并绘制力-位移曲线以及周期-位移曲线。结果在肩胛颈部抗拉伸实验中,实验组平均抗拉伸力[(356.50±32.19)N]优于对照组[(193.83±29.39)N](P<0.05)。在肩胛颈部钢板螺钉抗拔出实验中,实验组平均抗拔出力[(263.83±22.85)N]优于对照组[(135.50±15.40)N](P<0.05)。在动态疲劳实验中,300个周期内实验组平均位移小于对照组(P<0.05),且均未出现钢板、螺钉断裂松动现象。结论自主研制的新型肩胛颈部解剖锁定钢板在抗拉伸、抗拔出、动态疲劳生物力学性能优于重建接骨板,可为临床上治疗肩胛骨颈部骨折提供一种较为理想的内固定系统。

水热制备锌、硅、镁、铁等元素掺杂羟基磷灰石及其表征

微量元素掺杂是赋予羟基磷灰石材料更多生物学功能的一条有效途径,但不同元素的掺杂行为尚待进一步揭示。本研究使用并行水热合成方式,制备分别含有锌、硅、镁、铁、锰、铜、锶、硒、钴的9种羟基磷灰石粒子,并对其物理化学特性进行研究。结果表明,元素掺杂显著改变了羟基磷灰石粒子的形貌和晶体生长方向,但不改变其物相组成和官能团。晶体的(211)和(112)晶面衍射峰的强度均降低,结晶度下降。元素实际掺杂效率分析结果显示锰>锌>镁>铁(三价)>锶>钴>铜>硒>硅,与元素的离子半径大小相关。锰、锌、镁三种元素掺杂量较高,因其离子半径与其替代的钙离子接近。铜元素掺杂效率较低是由于其在合成溶液中与氨产生络合作用,硅元素和硒元素则因几何结构和电荷(SiO_(3)^(2-)、SeO_(3)^(2-)/PO_(4)^(3-))差异导致掺杂率低。本研究揭示了掺杂行为与离子特性之间的联系,为功能化羟基磷灰石的设计和开发提供有益的参考基础。

钛合金自攻骨钉力学方程验证及力学性能分析

目的验证推导的骨钉力学性能公式有效性,分析骨钉参数对其力学性能的影响。方法建立骨钉-聚氨酯泡沫块的物理模型,推导骨钉自攻性能和拔出性能的计算公式;用聚氨酯泡沫块模拟人骨,参考ASTM F543-07金属医用骨钉标准规范,用Instron E3000力学试验机对抽选的锥形头浅螺纹锁定接骨螺钉(head shallow thread locking bone screw,HAZ)、锥形头深螺纹锁定接骨螺钉(head deep thread locking bone screw,HBZ)不同直径的自攻骨钉进行试验验证,分别测出5组骨钉的自攻力、自攻力矩和拔出力数据。结果除个别误差较大的点外,计算值和实测值基本一致;两者平均误差为11.02%,总体来说理论计算值具有较高的可信度。骨钉越粗或者牙高越高,所需的自攻力和拔出力越大。结论研究结果为骨钉力学性能的判断提供计算依据,并为后续骨钉的优化改进提供参考和方向。

脊柱后路椎弓根固定系统轴向力学研究

目的分析影响脊柱后路椎弓根固定系统轴向力学性能的因素。方法建立脊柱后路椎弓根固定系统轴向力学性能的力学模型,并进行力学分析;参考标准YY/T 0961-2014,采用Instron E3000和Instron E10000力学试验机对JHL-Ⅰ型多轴组件、JHL-Ⅰ型单轴组件、JHL-Ⅴ型多轴组件和JHL-Ⅴ型单轴组件进行轴向顶出力测试和轴向夹紧扭矩测试。结果组件单轴椎体钉系统的顶出刚度明显高于多轴椎体钉系统;组件JHL-Ⅴ型椎体钉系统扭转刚度略高于JHL-Ⅰ型椎体钉系统。影响椎弓根系统轴顶出力的主要因素是锁紧螺栓的型号、尺寸以及锁紧力矩;影响椎弓根系统轴向力矩的主要因素是锁紧螺栓尺寸和连接棒的直径;可通过增加连接棒直径、增加各个连接元件间的摩擦系数、增加锁紧螺栓中径的措施来提高椎弓根系统的轴向力学性能。结论研究结果为优化改进脊柱后路椎弓根固定系统的轴向力学性能提供参考。

新型交锁髓内钉对尺骨鹰嘴横形骨折固定的力学性能影响

目的研究交锁髓内钉对尺骨鹰嘴横形骨折的固定效果。方法收集9对新鲜尺骨标本,建立尺骨鹰嘴横形骨折模型,分别利用克氏针张力带、交锁髓内钉修复骨折;分别模拟肘关节屈曲30°、45°和60°下,在肱三头肌腱处施加幅值25 N、均值45 N和频率0.5 Hz循环动态拉力载荷,记录标本在300个循环周期下的骨折位移。结果屈曲30°时,交锁髓内钉组、克氏针张力带组骨折位移分别为(1.831±0.333)、(3.723±2.390)mm(P=0.024);屈曲45°时,交锁髓内钉组、克氏针张力带组骨折位移为分别(1.167±0.374)、(2.455±0.609)mm(P=0);屈曲60°时,交锁髓内钉组、克氏针张力带组骨折位移分别为(1.407±0.342)、(3.112±1.025)mm(P=0)。交锁髓内钉修复的骨折位移更小。结论交锁髓内钉的力学性能优于克氏针张力带,交锁髓内钉固定尺骨鹰嘴横形骨折更稳定、更牢固;且利用操作工具安装交锁髓内钉,手术更精准、快捷,手术效率得到极大提高。

尺骨鹰嘴新型交锁髓内钉力学性能的有限元分析和标本实验研究

目的采用有限元仿真和标本实验结合的方式测定新研制的尺骨鹰嘴交锁髓内钉的力学性能, 并探究新型交锁髓内钉(NIN)锥形锁定螺钉使用数量对其固定性能的影响。方法利用Mimics19.0和SolidWorks 2014建立尺骨鹰嘴横形骨折模型, 分别采用克氏针张力带(KTB)和NIN修复;利用Ansys分析KTB、NIN的固定强度。用15例人体尺骨标本构造尺骨鹰嘴横形骨折模型, 并用Instron E10000力学试验机分别对KTB、NIN使用1颗锥形锁定螺钉(NIN-1)和NIN使用3颗锥形锁定螺钉(NIN-3)修复尺骨鹰嘴骨折模型进行力学试验。结果有限元仿真前臂屈曲45°, 受载100 N时, KTB、NIN-1、NIN-3固定尺骨鹰嘴骨折面的最大变形分别为0.131、0.123、0.121 mm。标本试验模拟前臂屈曲45°, KTB、NIN-1、NIN-3的最大破坏载荷分别为(313.38±27.68)、(528.56±53.58)、(871.04±94.95)N, 三组间比较差异有统计学意义(P<0.05), NIN-3的最大破坏载荷大于KTB和NIN-1, 同时NIN-1的最大破坏载荷大于KTB, 两两比较差异均有统计学意义(P<0.05)。结论相比KTB, 采用NIN手术操作更方便, 力学性能更优, 并且NIN-3的力学性能最佳, NIN-1次之。