伴有骨髓炎的复杂骨缺损治疗方案的基础及临床研究

发布时间：2019-05-05 05:36

【摘要】：骨缺损是骨科临床工作中遇到的最为棘手的问题，最常见导致骨缺损的病因包括高能量的创伤所致粉碎性骨折、反复手术失败所致的骨不连、骨肿瘤以及骨髓炎引起的骨大块摘除。骨缺损治疗的最大难点则在于前期治疗中的骨髓炎和后期治疗中骨缺损所致的关节功能不全，前者轻则阻碍正常骨愈合的过程重则导致全身系统的感染，后者则直接影响了患者的正常解剖形态与功能。高能量创伤导致的严重骨缺损往往伴随着骨缺损部位的感染，从而阻碍骨正常愈合，形成骨髓炎后会导致坏死骨、空洞、窦道等形成，进一步加重骨缺损的严重性。此外，骨肿瘤也好发于长骨的干骺端，靠近关节部位，尤其以胫骨、肱骨近端与股骨、桡骨远端常见，导致相应部位大面积的骨缺损及对应关节功能不全，给患者带来极大的痛苦。本课题主要着眼于现阶段骨缺损治疗中无法回避的这两个问题，针对伴有感染、影响关节解剖和功能的复杂骨缺损，按照治疗方案的自然顺序，分别从治疗前期使用可降解的静电纺丝纳米纤维毡进行抗菌和成骨诱导的基础研究，治疗后期利用3D打印技术重建关节解剖及功能的临床探究这两个方面对整体治疗方案进行了探索。本课题分为以下三个大的部分进行阐述：第一部分可降解的生物高分子材料在医学领域中抗菌研究及论述。该部分主要阐述伴有骨髓炎的复杂骨缺损的治疗方案及研究的现状，提出现阶段联合具有缓释作用的可降解高分子材料进行前期感染消除和成骨诱导，后期利用3D打印技术重建复杂骨缺损所造成的解剖和关节功能不全。在这个部分中介绍了可降解生物高分子材料中抗菌水凝胶的应用以及水凝胶与静电纺丝各自优势所在，并阐述了本文中选取静电纺丝作为治疗骨髓炎骨缺损的理由。第二部分搭载万古霉素和羟基磷灰石的静电纺丝PLA纳米纤维毡在治疗伴有感染的骨缺损中应用。静电纺丝纤维毡制备及表征：将羟基磷灰石（HA）接枝到聚乳酸（PLA）上，计算百分率后按照HA含量的10%比率进行计算。静电纺丝纤维毡根据有无HA、VA及VA含量高低分组，以氯仿为溶剂，将PLA、万古霉素（VA）、与PLA-g-HA进行静电纺丝形成纤维毡，通过扫描电镜SEM进行纤维直径及形态分布观察、能谱分析及Mapping确认VA及HA的均匀分布，纤维直径在500nm左右。静电纺丝纤维毡置于PBS溶液及弹性蛋白酶溶液进行体外降解实验，证明材料降解性能良好，加入VA及HA能够加快材料降解速度。抗菌实验：选用代表革兰阳性菌的S.aureus及代表格兰阴性菌的E.coli作为标准菌株，分别用制备的上述材料按纸片抑菌法进行涂布实验，观察在12、24h的抑菌环大小；将材料加入含有S.aureus和E.coli的液体培养基进行摇菌实验，观察12、24h时材料对细菌增殖的抑制作用。最后将在S.aureus和E.coli液体培养基中培养24h的静电纺丝纤维毡进行进行固定后做扫描电镜，观察材料上的细菌数量、形态及分布特征。抗菌实验证明含有VA的PLA静电纺丝纳米纤维毡具有有效的抗菌能力。动物实验：预实验以SD大鼠为模型，在股骨中上段三分之一处建立6×2mm大小的临界尺寸骨缺损，注入不同浓度的S.aureus液体培养液，骨髓炎骨缺损实验动物的模型，一周后取股骨进行HE切片后验证造模成功。正式实验中SD大鼠7组进行骨髓炎造模，一周后行清创术置入6组材料及一组VA空白对照。在第2、4个月时分别行X线检查、血常规、大体外相、股骨HE切片及周围肌肉、重要脏器的HE切片。经组间对比可见，添加静电纺丝组的存活率高于VA空白对照组，有统计学意义（P0.05）。而含VA组血常规中白细胞数量在第2个月时较未含VA组低且有统计学意义（P0.05）,该结果与大体解剖及病理结果相对应。X线及HE切片示含有HA组较未含有HA组成骨效果有明显差异，而含有VA组较未含VA组成骨效果好（P0.05）。上述实验说明在搭载万古霉素和羟基磷灰石的静电纺丝PLA纳米纤维毡对治疗伴有感染的骨缺损与临床现有方案相比具有较低死亡率、较好的抗菌效果及成骨效果。第三部分应用3D打印技术治疗复杂骨缺损的临床探索。在以往的临床治疗中，即便完全清除了骨髓炎的影响，严重复杂骨缺损常常因为没有合适的植入物而最终结果以关节融合、肢体短缩甚至截肢等告终，患者相应部位解剖形态未能重建，功能无法恢复，整体治疗效果也是失败的。3D打印技术近年来在骨科的飞速发展则给之前无法处理的病例带来了希望，这是骨科革命性的改变。在本临床课题的研究中，我们以一例腕关节部位创伤后感染及严重骨缺损、一例肩关节创伤后骨缺损及几例肿瘤造成的复杂骨缺损来探索3D打印技术的在临床的实现方案。其设计及制造流程包括了临床数据的采集，伪影的处理，Mimics下三维重建，，Geomagic Studio及Magics RP下数据的优化，工业设计软件UG NX等进行植入物定制化设计，最后导入Magics RP进行打印前处理，分别用EOS粉末打印机和SLA打印机进行术前模型的打印、手术导板打印，EBM金属打印机进行金属植入物打印。通过上述步骤，我们可以实现3D打印在骨科的三个层次上的应用。一是患者模型的精确复制及术前实现复杂缺损精确截骨的术前设计模拟，二是为高难高精度截骨制作个体化手术导板截骨，三是个体化定制的植入假体，最终达到使患者术后恢复正常的解剖形态和部分的关节功能的目标。综上所述，本课题从基础研究和临床应用两个角度分别探究了伴有骨髓炎的复杂骨缺损的治疗方案。在现阶段对于伴有骨髓炎的复杂骨缺损治疗，采用可降解的高分子缓释抗菌材料进行感染的治疗与局部的成骨诱导，感染清除后应用3D打印技术重建患者正常骨关节解剖及功能是一种有实际应用价值的治疗方案。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.3

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