个体化全踝关节假体距骨组件的设计及骨整合实验研究

发布时间：2020-09-10 08:18

　　研究背景全踝关节置换术(TAR)是治疗终末期踝关节炎的有效手段,TAR具有保留踝关节运动功能,缓解疼痛、降低感染率及避免出现继发性临近关节退变等突出优势。目前全踝关节假体的研究主要存在如下困境:现有全踝关节假体的设计,尤其是距骨组件的设计仍不能满足个体踝关节复杂的生物力学和运动学要求;现有假体的结构材料和界面材料不统一,假体-骨界面的骨整合困难,假体感染、松动、下沉等并发症仍较常见;在新型全踝关节假体的研制中,如何将实体的假体模型和多孔化的骨连接面有机地结合,快速设计和制造具有骨连接面多孔化的个体化假体组件有待研究。基于上述问题,本课题旨在利用三维数字化重建技术,建立负重位状态下踝-全足的三维模型,设计和分析假体模型,简化假体的骨连接面结构为多孔支架模型,分析新型含铜抗菌Co-Cr合金多孔支架的骨整合机制,规范假体模型和多孔化的骨连接面间适配设计流程,利用生物医用3D打印技术,快速制造个体化全踝关节假体距骨组件样件,为新型假体的问世和临床应用提供理论和实践基础。材料和方法1.负重位踝关节-全足数字化三维建模(1)一名志愿者行足踝部负重位PedCAT锥形束CT(CBCT)扫描,测量扫描时间和成像时间,扫描数据以医学数字成像通信标准(DICOM)格式导出。(2)Mimics软件中阈值选择、区域增长、图像分割,建立踝关节-全足的骨性三维模型,在软件中单独提取距骨模型。(3)Geomagic软件对模型进行网格检查、纠错和平滑处理,形成曲面化的计算机辅助设计(CAD)三维模型,生成封装文件以初始图形交换规范(IGES)格式输出。2.个体化全踝关节假体距骨组件模型设计及有限元分析(1)参考现有全踝关节假体的参数和设计理念,设计距骨组件的滑车关节面和几何固定装置。(2)根据全踝关节假体距骨组件在矢状面上的弧形截骨或角状截骨方式,以及是否行外侧面截骨,设计不同截骨方式的个体化距骨组件模型;设计假体为截骨面全覆盖型,计算各种模型的截骨量和截骨面积。(3)对各种个体化距骨组件模型进行三维有限元分析,选择双足站立时的接触力作为输入载荷,计算假体和截骨后距骨的应力分布,分析假体的静态稳定性。3.观察新型含铜抗菌Co-Cr合金多孔支架对细胞生物学行为的影响(1)计算机辅助设计三维支架模型,用新型含铜抗菌Co-Cr合金粉末,激光选区熔化(SLM)技术制备多孔圆柱形支架,其直径为10mm、总高为3.5mm,底层为实心、高度为0.5mm,多孔层为金刚石正8面体结构、高度为3mm。(2)根据支架的孔隙率进行实验分组,分为40%、60%和80%孔隙率三组,对应的孔径为201μm、373μm和454μm。(3)压缩实验检测三组支架的力学性能,扫描电镜观察三组支架的多孔结构表面特征,制备浸提液检测材料的毒性。(4)清洗和灭菌多孔支架后,将L929细胞种植在三组支架上,高糖DMEM培养基培养2天、4天和8天,进行相关生物学检测。(5)全骨髓法分离及培养骨髓间充质干细胞(BMSCs),将BMSCs种植在三组支架上,成骨诱导培养基培养2天、4天和8天,进行相关生物学检测。4.研究新型含铜抗菌Co-Cr合金多孔支架促进骨整合的机制(1)设计并制备60%孔隙率、孔径为373μm的Co-Cr合金多孔圆柱支架,其直径为5mm、总高为5.1mm,底层为镂空结构、高度为0.1mm,多孔层也为金刚石正8面体结构、高度为5mm。(2)根据Co-Cr合金成分进行实验分组:不含铜组及含铜组。(3)压缩实验检测两组支架的力学性能,扫描电镜观察两组支架的多孔结构表面特征。(4)清洗和灭菌多孔支架后,将BMSCs种植在两组支架上,成骨诱导培养基培养2天、4天和8天,进行相关生物学检测。(5)清洗和灭菌多孔支架后,对9头山羊进行右侧股骨远端两种多孔支架交叉植入术。术前和术后1天、30天、45天、60天采取山羊颈内静脉静脉血,火焰原子吸收法测定山羊血清铜离子浓度。术后90天时处死所有山羊,即刻行右膝关节正侧位X线摄片。取出含多孔支架的山羊股骨标本,行Micro-ct检查,将数据导入DataViewer软件中分析,用支架周围骨组织容积灰度值来推测两组支架周围骨密度(BMD)差异。含支架的山羊股骨标本经过固定、修块、脱水、光聚合树脂包埋、EXAKT硬组织切片机粘片、切片和磨片,制作两张连续的硬组织切片,并将切片对应标本和位置进行编号,以便进行切片分析时对应同一个标本的相邻植入位置。将上述每个支架获得的2张硬组织切片中,选取1张在拉曼光谱仪下光谱指认,选择扫描区域扫描,并结合和环境扫描电镜扫描,综合分析两组多孔支架-骨界面的组织成分差异。上述每个支架获得2张硬组织切片的另一张切片行亚甲基蓝-酸性品红染色,而完成了拉曼光谱和电镜扫描的切片继续行Goldner三色染色;所有染色切片在Olympus数字切片工作站放大20倍后数字化储存。软件打开数字化切片,计算两组多孔结构内部和周围的成骨面积,对比分析两组间的差异。5.制造个体化全踝关节假体距骨组件样件(1)对COA+LO截骨方式的距骨组件模型进行骨连接面多孔化的适配设计,打印模型以STL格式导出。(2)打印模型导入SLM打印机,设置的45°倾斜支撑,制造个体化新型含铜抗菌Co-Cr合金距骨组件。(3)假体去支撑、抛光、清洗后,大体观察和金相显微镜下观察假体的外形、滑车关节面和多孔化的骨连接面。6.统计方法结果以平均值、标准差表示,使用SPSS20.0统计学软件进行单因素方差分析或者T检验分析,定义P0.05时结果有统计学意义。结果1.双侧足踝部CBCT负重位扫描时间为20秒,成像时间为3分钟。负重位足踝部骨性三维模型全面的复现了双足站立时踝关节-全足骨性空间位置和结构,并提取了距骨的骨性三维模型。2.设计了空心圆柱固定茎、2枚销钉的固定装置,以及完全个体化、解剖化滑车关节面的距骨组件。设计了四种不同截骨方式的距骨组件模型,计算了四种模型的截骨量和截骨面积,具体如下:(1)距骨顶弧形截骨(AOA):3153.8 mm~3,877.9 mm~2;(2)距骨顶弧形截骨+外侧面截骨(AOA+LO):3920.3 mm~3,1030.4 mm~2;(3)距骨顶角状截骨(COA);3892.4 mm~3,947.6 mm~2;(4)距骨顶角状截骨+外侧面截骨(COA+LO);4432.9 mm~3,1114.3 mm~2。建立了四种假体的三维有限元模型,计算出假体和截骨后距骨的应力分布,结果提示含外侧截骨的AOA+LO组和COA+LO组应力分布比不含外侧截骨的AOA和COA更好,弧形截骨和角状截骨差别很小。3.压缩实验结果提示,不同孔隙率的三种多孔支架的抗压强度均满足临床使用要求。电镜下观察到40%孔隙率组的多孔化结构部分被残留的熔融粉末颗粒堵塞,而更大孔尺寸的60%和80%孔隙率组无堵塞等情况。浸提液相关的细胞培养和划痕实验证明该新型含铜抗菌Co-Cr合金材料无细胞毒性。L929细胞在支架上培养结果:(1)细胞FM和PI双染色后观察,在培养2天时,40%孔隙率组细胞增殖具有优势;但培养4天和8天时,60%孔隙率组相对于40%和80%孔隙率组增殖最为明显,凋亡更少。(2)细胞存活状态下进行了扫描电镜,观察到细胞数量随培养时间的增加而变化,呈现为逐步增多趋势;培养8天时,60%孔隙率组的细胞数量明显多于其他组,且有统计学差异。BMSCs在支架上成骨诱导培养结果:(1)CCK-8结果示各培养时间点上三组之间没有统计学差异,但在总的细胞数值上,60%孔隙率组高于其他组。(2)在各培养时间点,激光共聚焦显微镜下观察到60%孔隙率组的细胞增殖更为明显,凋亡更少。(3)培养2天和4天时,代表ALP活力的OD值在三组间没有显着差异,培养8天时,60%孔隙率组明显大于40%和80%孔隙率组;各培养时间点,60%孔隙率组的OCN含量均大于其他组。4.电镜下观察两组多孔支架的未观察到粉末颗粒堵塞现象。压缩实验结果提示,不同成分的两组多孔支架抗压强度均满足临床使用要求。BMSCs在两组支架上成骨诱导培养结果如下:(1)CCK-8结果示各培养时间点上含铜组与不含铜组之间无统计学差异。(2)在各培养时间点,激光共聚焦显微镜下观察到含铜组与不含铜组的细胞增殖、凋亡无显著差异。(3)在各培养时间点,代表BMSCs成骨分化趋势的ALP和OCN结果在含铜组与不含铜组间无显著差异。多孔支架植入山羊体内后的实验结果:(1)术后31天其中一头羊突然死亡,其数据不纳入统计分析;(2)获得了8头羊各个时间节点的完整数据,行统计学分析的结果是血清铜离子值在支架植入后逐渐增高,第15天达到高峰,为16.28±3.43μmol/L;(3)术后获得8个标本的膝关节正侧位片未见支架脱出和移位;(4)Micro-ct数据转换后的容积灰度值,每个支架随机选取了1个区域,各组获得16个数据,行统计学分析的结果是含铜组的灰度值均值为对142±12,不含铜组为121±10,含铜组高于不含铜组;(5)完成了每组16张硬组织切片的拉曼光谱和扫描电镜分析,并定义了965 cm~(-1)处的磷酸振动峰为骨组织的特征峰,对比分析得出含铜组支架-骨界面的磷酸根含量及骨含量明显高于不含铜组;(6)完成了每组16张硬组织切片的亚甲基蓝-酸性品红染色,以及每组16张硬组织切片的Goldner三色染色。数字化切片在软件下进行对比分析,得出含铜组骨整合具有优势。最后,定量分析每组32张切片的多孔结构内部和周围的成骨面积,所获数据进行统计分析的结果是含铜组均多于不含铜组。5.应用SLM技术制造了COA+LO截骨方式的全踝关节假体距骨组件,假体与设计模型一致。假体的滑车关节面光滑、反光;骨连接面的多孔结构均匀,与假体主体浑然一体。显微镜下观察到假体表面光滑、无空洞,腐蚀后可见组织形貌与激光扫描路径一致;多孔结构的孔隙大小和形状一致,各孔隙间的三维空间互相连接,无粉末颗粒堵塞现象。结论1.负重位足踝部三维数字化模型真实地还原了人体双足站立时踝关节-全足各骨的三维空间结构,为距骨组件的设计与分析提供了基础。2.不同截骨方式的个体化全踝关节假体距骨组件模型中,距骨顶角状截骨联合外侧面截骨(COA+LO)的模型具有综合优势。3.3D打印Co-Cr合金假体的多孔结构参数为60%孔隙率、孔径373μm时,有利于细胞增殖和BMSCs成骨分化。4.相同多孔结构参数的含铜与不含铜Co-Cr合金假体对BMSCs生物学行为影响无差异,而新型含铜抗菌Co-Cr合金多孔假体在体内有利于骨整合。5.提出了个体化假体多孔化骨连接面交互设计的方法,制造了新型含铜抗菌Co-Cr合金全踝关节假体距骨组件。
【学位单位】：中国人民解放军陆军军医大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R318.17

【参考文献】