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打印不同孔径钛合金支架修复兔股骨缺损孔径更
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摘要：0 引言 Introduction 自体骨移植被视为骨缺损修复的金标准，但因取骨量有限及增加创伤、供区疼痛、出血等并发症而受限制[1]。同种异体骨供应量丰富，但存在免疫原性及传染疾病的风险
0 引言 Introduction
自体骨移植被视为骨缺损修复的金标准，但因取骨量有限及增加创伤、供区疼痛、出血等并发症而受限制[1]。同种异体骨供应量丰富，但存在免疫原性及传染疾病的风险[2]。脱钙骨及含钙磷无机人工骨则过于松脆，强度及韧性低，不适用于大段骨缺损。近年来装载干细胞和骨生长因子的复合多孔骨组织工程材料成为研究热点，如丝素蛋白、复合聚乙烯醇、壳聚糖等，为难治性骨缺损提供了极富前景的治疗选择。CUI 等[3]设计了一种新型的聚乳酸-乙醇酸/羟基磷灰石/聚(L-乳酸)-苯胺五聚体/人骨形态发生蛋白4 支架，它可将人骨形态发生蛋白4 有效整合到具有电活性的骨修复材料中，借助兔桡骨缺损模型证明了其能促进细胞增殖和成骨分化，也提高了骨缺损修复的有效性。但目前高分子支架材料的机械强度仍难以胜任负重及扭矩要求高的下肢大段骨缺损，如何同时兼顾骨修复材料的机械强度和成骨能力目前仍是一大难题。
医用钛合金(Ti6Al4V)因其良好的生物相容性、可靠的机械性能和耐腐蚀性被广泛用来制造骨科内植物[4-7]，但其远高于骨组织的弹性模量会产生明显的应力遮挡，长期植入后易导致骨组织因受力减少而发生骨质疏松和内植物松动[8-10]。近年来随着金属3D 打印多孔钛合金技术的迅猛发展，在保证足够机械强度的前提下多孔结构能有效降低材料弹性模量，而且其微孔结构有利于新生骨长入，使其形成牢固的机械锁结，极大提高了植入物的长期稳定性[11]，因此也为大段骨缺损的修复提供了崭新方法[12]。
多孔钛合金的微孔结构能为成骨细胞的增殖与迁移提供充分的空间，也对间充质干细胞的成血管作用有着促进作用[13]；孔径还影响成骨基因的表达和成骨细胞的分化，是骨整合的重要因素，但是多大的孔径最有利于新生骨的长入尚存在争议[14-17]。一些研究报道，植入物孔径为100-400 μm 时可通过促进血管生成和骨传导而有益于骨形成，低于此范围的孔径会限制骨细胞(50-70 μm)的向内生长[18-20]。对于大孔径植入物的研究，刘邦定等[21]发现孔径在2 000 μm及3 000 μm 时孔隙中心空洞基本无骨质形成，而1 000 μm 孔径内的新生骨形成较多，这说明孔径并非越大越好，1 000 μm可能是一个上限。值得注意的是，早期多孔植入物的制造大多采用相分离[22]、致孔剂浸出和气体发泡等传统制造技术[23-24]，其共同缺陷是微孔大小差别大，难以准确评价不同孔径对新生骨形成的影响。因此，目前对于骨整合的最佳孔径仍不清楚，寻找最适孔径获得最佳骨长入仍具重要意义。近年来随着金属3D 打印技术的快速发展，电子束熔融技术能精确控制孔径、孔隙率、微孔形状等重要结构参数，快速打印多孔钛合金支架，为解决这一问题提供了良好契机[25-27]。因此，实验在以往研究的基础上，应用最新的电子束熔融3D 打印技术制备孔径分别约为200，600，1 000 μm 的多孔钛合金支架植入物，采用新西兰兔股骨外侧髁骨缺损修复模型探索不同孔径对骨形成的影响。
1 材料和方法 Materials and methods
1.1 设计 随机对照动物实验。
1.2 时间及地点 于2019 年1 月至2020 年5 月在苏州大学骨科研究所完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物 3月龄健康雄性新西兰大白兔20只，普通级，体质量2.0-2.2 kg，购于苏州大学动物实验中心，许可证号：SYXK(苏)2014-0029，合格证号：，自由摄食和饮水。
1.3.2 实验仪器及用品 小动物数字化X射线成像系统(Sedecal ，西班牙)；小动物断层扫描系统(SkyScan1176 In-Vivo Micro-CT，Belgium)；光学显微镜(ZEISS Image M1，德国)；微机控制电子万能材料试验机(HY-1080 N，中国)；骨科手术器械(张家港金鹿医疗器械有限公司，中国)；3D 打印多孔钛合金支架(北京爱康宜诚医疗器械有限公司，中国)；甲苯胺蓝染色剂(南京建成生物工程研究所，中国)；戊巴比妥钠(Sigma 公司，美国)；注射用青霉素(北京中杉金桥有限公司，中国)。
1.3.3 多孔钛合金植入物 多孔钛合金植入物由北京爱康宜诚医疗器械有限公司制备和提供。首先采用计算机辅助设计技术构建3 种不同的三维圆柱体模型，3 种模型均为表层多孔(厚度1.5 mm)内部为实体的圆柱体样，其直径为10 mm、高为5 mm。3 种模型的不同之处仅在于孔径大小不同，孔径分别为200，600，1 000 μm。然后将其输入3D 金属打印系统中，以Ti-6Al-4V 粉末为原材料进行打印，随后逐层熔融凝固而成。经检测3 组植入物的平均孔径及孔隙率分别为203.2 μm、49.7%，604.6 μm、62.7%，1 054.5 μm、73.4%。为同时对比微孔和无孔面的骨黏附能力并真实地模拟临床，特采用线切割将圆柱体纵切为4 等分的扇柱体(图1)，半径为5 mm、高度为5 mm，上下两扇形面及侧方弧形面均为多孔粗糙面，侧方切面中央为矩形无孔光面。植入实验动物体内前超声震荡清洗，采用高温高压蒸汽灭菌。
文章来源：《建筑材料学报》 网址: http://www.jzclxb.cn/qikandaodu/2021/0624/556.html