新型纳米金刚石-PLGA可吸收复合材料3D打印制备颈椎间融合器的研究

发布时间：2019-09-05 06:57

【摘要】：[背景]三面皮质自体髂骨是颈椎前路椎间隙减压后椎间植骨融合的金标准。但其来源有限和不可避免的供骨区并发症使其使用受到限制。现有的植骨替代物包括聚醚乙酮椎间融合器和钛网等,一定程度上替代了自体髂骨并取得满意的植骨融合率。但仍存在弹性模量过大、容易沉降等缺点,其术后影像学检查存在伪影,干扰了术后影像诊断。且两者均为不可吸收材料,不能形成最终的生物学融合。理想的可吸收椎间融合器应该克服以上材料的缺陷。在刚植入时可吸收融合器有足够的强度,随降解过程强度逐渐降低,载荷逐渐转移到宿主骨,这有利于新骨形成并导致确实的骨融合。最后,植入物完全吸收并被自体骨替代,最终形成生物学融合并确保高质量术后MRI影像结果。此外,现有的植骨替代物均为批量制作,而部分颈椎间隙过窄或过的患者并不适用。3D打印是快速成型技术的一种,其数字化和快速成型的特点使其能根据宿主个体化要求定制相应形状和大小的体内植入物。如果能有一种力学强度和降解速率可控的可吸收材料,其材料性能接近于自体骨,术前根据患者CT影像检查设计个性化颈椎间融合器,随后利用3D打印技术即可快速制备个体化的颈椎间融合器并用于临床。[目的]1、对退变颈椎各解剖参数进行测量,明确退变颈椎解剖变异性,评估对拟手术的退变颈椎患者施行个体化设计颈椎间融合器的必要性；2、设计一种新型的可吸收复合材料ND/PLGA,对其进行力学强度分析和生物相容性测试,探讨该材料用于制备颈椎间融合器并用于人体的可行性；3、利用3D打印技术,将新型复合材料ND/PLGA打印制备个体化颈椎间融合器,评估打印精确性及实体融合器表面与颈椎上下终板的匹配性。[材料和方法]1、随机选取2013年6月到2014年6月我院收治的颈椎病患者80例,其中男女各40例,所有患者术前常规进行CT平扫和三维重建,在PACS系统上测量颈椎CT参数。评价退变颈椎的解剖特征。2、使用磷脂将纳米金刚石进行表面改性,将纳米金刚石与不同质量的高纯度磷脂按一定比例混合,比较其在二氯甲烷中的分散性和稳定性,确定最佳配比。将改性后具备疏水结构的纳米金刚石与PLGA按不同比例混合制备ND/PLGA膜,测试其在PLGA中的分散情况及对力学强度,指导如何制备高强度的符合材料；3、测试ND/PLGA膜片的生物相容性。将人类成骨细胞接种到各细胞膜片上观察细胞活性及生长情况；实时定量PCR分析三种成骨分化相关的细胞标记物碱性磷酸酶(ALP)、1型胶原蛋白(COL)和骨钙素(OCN)的表达。4、选用健康的昆明小鼠研究NDPC-PFs的组织学反应和体内降解。将30只小鼠(雌雄各15只)随机分为5组并进行标记,每组中包含雌性和雄性小鼠各3只。将所制备不同质量比的NDPC-PF剪成约0.5cm×1cm大小长方形,消毒后通过外科手术植入小鼠背部皮下。术后4周和8周每组小鼠分别处死3只,切取NDPC-PF及周围组织进行体内组织学反应和降解性研究。5、选用10具经福尔马林浸泡的成人新鲜尸体标本,男性5具,女性5具,切取颈1到胸1节段为实验对象,完整保留颈椎骨性及周围软组织结构,由放射科医生协助获得全部10具尸体标本的全颈椎CT连续扫描Dicom格式原始图像。将所得CT数据直接导入相关软件,设计生成STL格式的颈椎间融合器,并传输至三维打印机,使用ND/PLGA为材料打印出个体化椎间融合器,评估打印精度以及实体融合器表面与颈椎上下终板的匹配性。[结果]1、退变颈椎各椎体的矢状径从上缘到正中到下缘逐渐增加,C2下缘水平为16.75±1.16mm,C6下缘达到19.28±2.08mm。男性C2/3椎间隙水平矢状径为17.26±0.77mm,C7上缘水平矢状径为19.92±2.49mm,分别高于女性的16.60±1.48mm和17.29±0.65mm,差异有统计学意义。横径从上缘到正中变化不明显,C2下缘水平为21.70±3.31mm,C6下缘达到29.84±2.95mm。在各水平上男性和女性的横径大小均无无显著差异。钩椎关节内径从C3-C7逐渐增加。颈椎前缘高度没有呈现显著的从头段向尾端递增趋势,男性C3前缘为14.41±0.84mm,C6/7水平为6.46±1.25mm,分别高于女性的13.39±1.33mm和5.84±1.33mm,差异有统计学意义。其余部位男女性之间无显著差异。颈椎间隙高度从C2-C7没有出现递增趋势,相反,C4/5,C5/6椎间隙高度都低于C3/4。男性和女性退变椎间隙高度之间差异无统计学意义。共52个椎间隙高度低于5mm,占13%。小于5mm的椎间隙主要分布在下位颈椎,C4/5占21%,C5/6占44%。C6/7占17%。2、ND与磷脂(PL)的比例为100：50(wt/wt)时,其分散效果最好,所制备的NDPC平均粒径为31-33nm。在PLGA负载NDPC制备NDPC-PF膜,NDPC50加入后会在一定程度上改变PLGA原有的光滑表面结构。随着NDPC50含量的逐渐增加,复合材料杨氏模量显著增加,当NDPC50含量为10%wt时,杨氏模量最大为5.74±0.78 Gpa,增长率为96.06%；硬度为0.409Gpa,增长率为550%。3、骨相关细胞hFOB1.19细胞接种NDPC50-PF膜上,培养7天,所有样品的细胞活性都有所提高。同时发现,适量的NDPC含量小于或者等于5%wt,对成骨细胞没有影响；细胞活性测试发现NDPC50-PF10的细胞行为满意,其OCN也有明显的增长。4、术后第4周,只有少数炎症细胞出现在纯的PLGA膜(PFO)、NDPC50-PF1及NDPC50-PF5周围,但是在NDPC50-PF20周围发现大量的免疫细胞,并发现大量的纤维细胞。说明NDPC50的含量增加,引起植入材料周围组织免疫反应地增大。术后第8周,所有样品的免疫反应均有所好转,植入材料周围的免疫细胞明显下降,但NDPC50-PF20的免疫细胞相对更多。体内术后8周,纯PLGA膜大量降解,而其他的NDPC50-PF样品并没有发现相似的结构,说明NDPC50的加入完全可以有效地缓解PLGA材料在体内的快速降解。5、打印的实体Cage大体表面光滑,设计的纵向孔隙清晰可见。实体Cage较设计时规格略小,打印准确率高于95%,与STL格式数据相比各项指标差异均无统计学意义。大体观察发现椎间融合器与椎间隙嵌合度较好,在CT横截位、矢状位、冠状位及三维重建上与宿主椎间隙嵌合度良好,匹配度测量结果示：6例标本(60%)所有测量点匹配性均为优；3例标本(30%)中14个点(3.89%)匹配性良,其中1例6个点、另2例各4个点匹配性良；1例标本(10%)中共3个点(0.83%)匹配性差；共计343个点(95.28%)匹配性优。[结论]1、退变颈椎解剖参数尤其是椎间隙高度变异较大,下位颈椎相当部分椎间隙狭窄超过5mm,现有的制式颈椎间融合器不能完全满足临床需要,有必要为退变颈椎进行个体化设计融合器以满足手术需要；2、本研究将经磷脂表面修饰的ND与PLGA按照wt10：100制备新型可吸收复合材料。新材料的Young's模量增加了约100%,而硬度增加约550%。体外相容性试验发现该材料支持细胞增殖和成骨分化。体内试验发现新材料免疫反应程度符合预期,.且降解速度显著降低。这种具有高力学强度和良好生物相容性的材料有望用于骨组织工程中；3、用3D打印技术可将ND/PLGA材料快速打印制备个体化颈椎间融合器,打印精度超过95%,打印的实体颈椎间融合器与目标间隙终板匹配性好。
【学位授予单位】：第二军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.3

【参考文献】