3D打印钛合金下颌骨接骨板的有效性和安全性的初步研究

发布时间：2020-06-22 13:53

【摘要】：研究背景及目的:下颌骨位于颜面部的下1/3部分,由于其特殊的位置和可以活动的解剖特点,在发生外力冲击时往往会发生多处联合性骨折。下颌骨骨折及骨质缺损是颌面外科的常见疾病,经常发生于创伤、肿瘤或者先天性颌骨畸形的患者。在创伤患者中,由于受到外力的性质、方向和力度不同,下颌骨发生骨折的类型也不同。鉴于下颌骨的解剖特点,受到外力打击时,应力集中部位更易发生骨折,易骨折区域包括下颌骨正中联合、双侧颏孔附近、下颌角以及双侧髁突颈部;而在更大外力导致的下颌骨粉碎性骨折中,下颌骨体部是常见的骨质缺损位置。下颌骨发生骨折或骨缺损之后会导致吞咽、发音、咀嚼等生理功能的丧失;此外,还会给颜面部外形带来缺陷,从而给患者的社会生活带来不利影响,甚至会造成患者的心理疾患。目前,临床上对于下颌骨骨折和骨质缺损的病人多采用钛合金接骨板来进行骨折固定、骨缺损区的位置维持以及在重建修复手术中固定植骨块,从而恢复下颌骨的连续性,使之功能得到保存。随着近年来增材制造技术的发展,3D打印技术逐渐运用到医学领域来,大大推动了颌面外科手术的精确性,实现了患者的个性化治疗,提升了手术效果。特别是在医用材料领域,3D打印技术和各种新材料结合,衍生出多种新型个性化假体和植入物治疗方案,已经在神经外科、骨科和颅颌面外科的治疗中显示出明显的优势,也是计算机精准外科未来发展的主要方向之一。其中钛合金金属3D打印技术被认为是最易于进入临床应用的增材制造技术,可以满足颅颌面手术对植入物外形的复杂三维形态的要求。目前国际上德国、法国、荷兰、比利时等国初步开始了此方面的应用,在颌骨修复重建和正颌外科中已经应用于临床。但在我国,这方面的应用还不普及,主要原因既有国家政策层面的因素,也有我国钛合金增材制造标准不一,缺乏临床前期研究的问题。因此,本实验使用3D打印钛合金下颌骨接骨板联合游离自体骨移植来固位修复下颌骨骨质缺损,旨在快速、准确、个性化地修复下颌骨骨质缺损,并研究此方法在动物实验中的效果和安全性。实验首先建立Beagle犬下颌骨三维数字化模型;再运用金属3D打印技术制作个性化钛合金接骨板;然后制备双侧下颌骨骨质缺损区域,并使用打印的个性化钛合金接骨板来固定游离植骨块以修复下颌骨骨缺损区域,最后观察该个性化钛合金接骨板在动物体内的有效性和安全性,进而评估临床效果,为后期的临床应用奠定基础。一、3D打印钛合金下颌骨接骨板的制作和下颌骨骨质缺损模型的制备方法:12只成年Beagle犬,雌雄不限,根据取材时间不同随机分三组。首先将Beagle犬头颅影像CT数据录入医学影像控制系统软件MIMICS19.0,利用数字化外科技术设计与缺损区和移植骨块匹配的金属接骨板三维模型,处理设计后,使用工业3D打印机Eos m290(德国)和钛合金粉末Ti-6Al-4V将个性化下颌骨接骨板制作出来;然后,依照数字化设计来制备动物双侧下颌骨骨缺损,并同期进行移植修复手术,移植骨块使用打印的个性化钛合金接骨板固定。随后以此部分实验为基础来进行后续的3D打印钛合金接骨板的性能检测。结果:金属3D打印方法可以制备出不同厚度、不同三维立体形态的下颌接骨板。3D打印钛合金接骨板可实现与下颌骨缺损区植骨块区域的紧密贴合,对植骨块可以起到固定和定位的双重作用。二、3D打印钛合金下颌骨接骨板的临床有效性研究方法:在第一部分的基础上,观察下颌骨骨质缺损行游离植骨手术的手术效果。在术后1个月、3个月、6个月后处死动物取材,制备标本,行MicroCT扫描、硬组织切片染色、三点弯曲力学试验来观察使用3D打印钛合金金属接骨板行植骨修复的临床效果。结果:所有实验动物均存活,伤口顺利愈合,无感染发生。术后MicroCT显示接骨板和骨结合良好,随着术后时间的延长,植骨区骨密度越来越致密;硬组织切片显示:1个月组可见植骨块和临近骨的骨缝之间有纤维组织生成,3个月组可见纤维组织向软骨转变,6个月组见有骨性骨痂形成,成骨区形态较好;三点弯曲力学试验显示骨质缺损区域的抗弯、抗压强度随着术后时间逐渐增强;骨微结构参数测量显示新生骨哈弗系统不断改建,各项指标提示,随着时间的推移,骨移植区新生骨小梁的数量增加和厚度增加,向正常下颌骨的骨微结构参数测量值趋近。结论:3D打印的钛合金下颌骨接骨板是一种生物相容性好、修复性能佳的修复材料,通过钛合金的3D打印技术不仅可以快速生产出个性化的各式下颌骨接骨板,还可以达到稳定的坚固内固定效果、诱导骨质缺损区域骨组织重建成骨,成骨质量好。三、3D打印钛合金下颌骨接骨板的动物安全性研究方法:在制备下颌骨骨质缺损和移植游离植骨块修复的同时,进行3D打印钛合金下颌骨接骨板的动物安全性研究。在实验动物进行下颌骨骨移植术前7天和术后1个月、3个月、6个月后分别行血常规和血清生化检查,并在处死动物后取材,对实验动物的肝、肾组织做H.E染色组织学观察。结果:术后1、3、6个月组的实验动物的血常规和血清生化与术前对比均未发现异常;肝肾组织切片的H.E染色未发现明显异常变化。结论:3D打印钛合金下颌骨接骨板是一种安全性能好的接骨板,不仅可以达到稳定的固位效果,对机体组织未发现明显毒性作用。
【学位授予单位】：中国人民解放军空军军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R782;TP391.73
【图文】：

原理图,打印工,原理图

打印工艺原理图

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图 2 3D 设计的下颌骨接骨板gure 2 3D design of the mandible bone plate损制备mg/kg肌注诱导麻醉，2.5%戊巴比妥钠后肢

【参考文献】