镀碳基纳米多层膜钛合金和烧结多孔钛合金在人工髋关节假体中应用的研究

发布时间：2020-08-12 00:38

【摘要】：人工髋关节置换已成为治疗各种严重髋关节疾病的重要方法,但现代人工髋关节假体置换依然面临很多问题,最终导致手术的失败,其中,置换术后假体的无菌性松动最为突出。尽管已经通过使用各种新技术或新材料进行改善,如钴铬合金(CoCr)、陶瓷、黑晶等,但依然各有缺点。目前认为,材料磨损及骨长入失败是导致无菌性松动的主要原因。因此,降低假体摩擦界面的磨损,加强假体的骨整合能力可以改善关节假体的性能,延长假体寿命。本研究中,我们使用磁控溅射技术在医用钛合金及钛合金球头表面沉积具有交替碳层和C-Ti复合层的纳米多层膜,称为“a-C/a-C:Ti纳米多层膜”(a-C NM膜),或“碳基纳米多层膜”。我们对镀膜钛合金材料进行了体外细胞毒性试验,兔体内植入试验;使用镀膜钛合金球头和CoCr球头进行了犬的全髋关节置换试验并随访。实验结果显示,与未镀膜钛合金相比,镀膜钛合金材料无明显细胞毒性,体内及体外生物相容性良好。犬全髋关节置换术后两年,从假体周围软组织中分离出的聚乙烯磨损颗粒在两组中显示出相似的大小,形状和数量(所有P值均0.05)。观察发现,取出的股骨头表面粗糙度轻度变化,但各组之间无统计学差异(P=0.696)。然而,全身金属离子分析表明,镀膜钛合金球头组中Co和Cr离子的释放量显著低于CoCr组(P0.005)。CoCr组假体周围组织的组织学分析显示组织细胞反应比镀膜组更严重(P=0.029)。头锥接合界面在CoCr组中显示出轻度电偶腐蚀痕迹,但在镀膜钛合金组中没有观察到。本研究采用凝胶注模和二次烧结技术制备了多孔钛合金。通过控制添加到合金粉末中间隔颗粒的数量和尺寸,可以制造具有不同孔隙率和孔径的多孔合金。我们对新烧结工艺制备的多孔钛合金的机械性能、生物学性能及成骨能力进行了体外和体内研究。并对不同孔隙率的多孔钛、3D打印多孔钛进行了对比。另外,我们还制备了一种全多孔钛合金髋臼杯,进行了有限元分析及犬的全髋关节置换试验,并与传统的羟基磷灰石(HA)涂层臼杯对比。结果显示,多孔钛具有良好的机械性能,足够的抗压缩强度和较低的弹性模量,生物相容性和成骨能力良好,使得这种多孔合金在生物医学有良好的应用前景。与50%孔隙率相比,孔隙率为75%的合金具有更好的力学性能,合适的孔径和孔隙率,使更多的骨长入。与3D打印技术相比,烧结工艺制备的75%孔隙率的多孔钛微观结构和机械性能与松质骨更相似,没有明显的应力屏蔽,并且可以更有效地实现植入后的早期稳定性。犬全髋关节置换术后一年,与HA涂层臼杯相比,多孔钛杯表现出良好的生物相容性和成骨能力,micro-CT和组织病理学结果显示多孔组骨骼向内植入物内部生长较多,骨-种植体接触率较高。因此,采用新型烧结技术制造的犬全多孔钛合金髋臼杯可以提供足够的空间和足够的机械支撑,对骨骼向内生长没有明显的应力屏蔽效应。与传统的HA涂层杯相比,多孔杯可以更有效地实现体内稳定性。综上所述,镀膜钛合金生物相容性良好,镀膜钛合金球头有良好的体内摩擦磨损性能,释放更少的有害金属离子,引起的组织反应更轻微,可作为人工髋关节股骨头的良好选择;烧结多孔钛合金及全多孔钛合金臼杯生物相容性、机械性能及成骨能力良好,可作为人工髋关节臼杯的良好选择。因此,镀膜球头与多孔钛臼杯的应用有助于降低假体无菌性松动的风险,延长假体的寿命。
【学位授予单位】：中国人民解放军医学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R687.4;R318.08
【图文】：

解放军医学院博士学位论文试验组包括两种不同类型的镀膜样品：直径为２０＿，厚度为２＿的合金圆盘，用于体外细胞试验；直径２ｍｍ，长度６＿的镀膜钛合金棒，内植入实验。相同规格的未镀膜医疗级钛合金样品作为对照组。两组样品所示。镀膜样品相较于未镀膜样品显示出颜色更深的黑色光泽。本研究中所有样品在使用前均在环氧乙烷中灭菌，在实验之前至少放置１５天的时得环氧乙烷能够完全消散。逡逑

苯噻嗪的ｈ邋１混合物麻醉兔子，固定双后肢并准备进行无菌手术。剃毛，消毒逡逑后切开皮肤，暴露股四头肌，并用刀片切一小口，用细剪刀在股四头肌内修整出逡逑一个肌肉间隙，并将样品轻轻插入其中（图２），然后用可再吸收的缝合线缝合逡逑肌肉及皮肤切口。对侧肢体重复该过程。试验组镀膜标本总是植入左侧股四头肌，逡逑未镀膜样品植入右侧。动物在手术时接受单次肌内注射克拉维酸强化的阿莫西林。逡逑术后不限制动物活动。逡逑另外１２只新西兰大白兔用于骨内植入实验。如前所述进行麻醉，术前准备逡逑和术后管理。在股骨外侧上进行皮肤切口，切开皮下组织，分离肌肉以暴露股骨逡逑的骨膜表面。使用２．０毫米不锈钢钻头制造三个孔，并将棒状样品插入钻孔中（图逡逑２－ｂ）。注意确保植入物的末端与骨的外皮层齐平。然后重新复位周围肌肉，用逡逑可吸收缝合线缝合肌肉、皮下组织和皮肤切口。对侧肢体重复该过程。试验组镀逡逑膜标本总是植入左侧股骨，未镀膜样品植入右侧。逡逑ｆ邋１＿＿｜逡逑ＨＩＨ逡逑图２．植入实验操作过程：（ａ）肌间植入（ｂ）骨内植入逡逑２．３?

３．１体外生物相容性逡逑３．１．１细胞形态及活性分析逡逑图３邋（ａ－ｅ）显示了成骨细胞暴露于不同浓度的浸提液２４小时后的形态变化，逡逑我们发现细胞形态正常，未见明显异常变化，而且各组间未发现明显差别。细胞逡逑活性检测的荧光分析如图３邋（ｆ－ｇ）所示，每幅图均显示两组样品表面有均匀分布逡逑的活细胞（绿色），而死亡的细胞（红色）数量极少。通过计量分析，在培养基逡逑组（即浸提液浓度为０），以及１００％，５０％，邋２５％，１２．５％浓度的浸提液组细胞死亡逡逑率如图４ａ所示，但各组间差别没有统计学意义（Ｆ＝１．２９２，Ｐ＝０．３０６）。逡逑ＧＭ逦１００％逦５０％逦２５％逦１２．５％逡逑■■■■■逡逑图３．细胞形态及活性分析：暴露于不同浓度的浸提液２４小时后（ａ－ｅ）成骨细胞形态表现，逡逑（ｆ－ｇ）成骨细胞活性表现。图中比例尺为１００，。逡逑１９逡逑

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