钽涂层人工假体植入早期假体表面骨长入特点及其骨组织相容性的初步研究

⒛世纪中叶,钽(Ta)金属生物材料开始应用于医学领域[1]。1997年开始多孔钽材料在临床矫形外科领域得到广泛应用,包括关节置换、肿瘤切除后的组织重建、股骨头缺血性坏死的治疗及椎体融合等,其良好的生物相容性、化学稳定性及独特的物理特性为钽生物材料的发展提供了广阔空间。虽然钽制小梁材料的应用在骨科已获得成功,但其主要作为假体的“衬组件”应用于伴有骨组织缺损的填充,不适用于常规关节置换。目前,钽作为人工关节表面涂层的相关文献报道极少,本研究以临床应用的钛涂层假体作为对照,旨在分析研究钽涂层假体植入早期的骨长入特点及骨组织相容性,以初步评估钽涂层假体临床应用的可行性。

材料与方法

—、材料试件的制

医用Ti-6AI-4Ⅴ基体经过喷砂及等离子喷涂工艺加工获得二维孔隙率约为30%的钽涂层假体及界面力学检测试件;钽涂层假体基体长为I2mm、直径为3mm、涂层厚度为150um;以同样规格的△‘Ⅲ砰Ⅴ基体钛涂层材料作为对照组(复合涂层材料由北京京航生物材料研究所和四川材料与工艺研究所加工而成×图1).

二、实验动物与假体植入选取6个月龄的雄性新西兰兔ω只(由第四军医大学实验动物中心提供),体质量为2.8~30吒,随机分为钽涂层组和钛涂层组,每组30只。无菌条件下进行实验假体股骨髁内植入术(图2),以质量百分比为2%的戊巴比妥(40mg/吒)实施兔耳缘静脉注射麻醉,分别于右侧股骨外上髁向股骨内上髁方向钻孔(孔径直径为3.2mm),庆大霉素注射液冲洗钻孔后植入假体。术后1周内给予抗感染治疗。分别于术后4、8、16周处死两组动物各10只,采用体积百分比为90%的乙醇溶液固定带假体的组织标本,每组在不同时间点分别取2个标本用于假体表面扫描电镜观察及能量色散Ⅹ射线光谱仪(encrgy山spersiveⅩ-ray,EDⅩ)分析,另取8个标本用于组织病理学评价。

三、扫描电镜观察及EDⅩ分析采用日立S冖34OON扫描电镜(日立公司,日本)对植人早期的假体表面进行扫描电镜观察及EDX分析,判断假体周围有无骨组织形成。四、组织病理学评价(一)改良丽春红三色染色处死动物后立即进行取材、切割,并将标本用⒇%的乙醇溶液固定1周,再经过分级浸塑液浸塑处理制作成塑料块。采用Leica2500硬组织切片机(Leica公司,德国)对带有金属假体的组织塑料块进行切片,将切取的硬组织切片(厚度为7um)进行丽春红三色染色,染色步骤依次如下:①质量百分比为1%的磷钨酸溶液染色10min,蒸溜水清洗;②质量百分比为1%的甲苯胺兰染色10min,蒸溜水清洗;③体积百分比为⒛%的乙醇溶液分化1min,蒸溜水清洗;④苦味酸-橙黄混合液染色30s,蒸溜水清洗;⑤丽春红混合液染色30min,蒸溜水清洗;⑥晾干后中性树胶封片。切片染色后呈色情况:骨组织为棕红色,骨髓基质或软组织为橙黄色,新生骨组织及类骨质为蓝色,软骨及钙化软骨为淡蓝色。(二)骨组织形态计量学分析采用Lci四Q-W血⒌andcrⅤ2.3全自动图像分析系统(Leica公司,德国)对术后4、8、16周带假体骨组织丽春红三色染色切片进行骨计量学分析,判断假体周围骨长入情况及成骨量。采集1.6×10倍经过丽春红三色染色的带假体骨组织切片图像,即选取各植入期钽涂层组及钛涂层组标本的股骨髁间硬组织切片染色图像进行骨组织形态计量学分析;利用图像处理软件分别对选取图像中假体周围⒛0像素范围内的骨组织进行选取,并利用软件的测量工具计算选区内的骨组织面积(所定义的骨组织包括成熟的骨组织、软骨组织及类骨质);并计算切片选区内的骨量面积比值(选区内骨组织的面积与选区的总面积比)。

五、统计学方法应用sPSS11,5统计学软件,计量资料用x±s表示,同一组内假体植人后不同时间点假体的骨量面积比值采用重复测量的方差分析,若差异有统计学意义,则采用LSD-莎检验进行组间两两比较;同一时间点钽涂层组和钛涂层组假体周围的骨量面积比值采用配对莎检验进行比较,P<0.“认为差异有统计学意义。

结果

一、扫描电镜观察及EDⅩ分析结果假体植入后4周扫描电镜观察钽涂层组及钛涂层组假体表面均有明显的骨样组织层附着,新生组织结构均匀,小梁结构清晰。假体植入前与植人后4周表面EDⅩ分析显示,假体植入后两种涂层假体表面形成组织主要由碳(C)、氧(0)、钙(Ca)、磷(P)等骨组织元素构成(图3)。

二、假体植入后组织病理学观察结果(一)硬组织切片、改良丽春红三色染色结果术后4周假体周围的骨组织丽春红三色染色显示钽涂层组及钛涂层组假体周围有骨组织形成,新生骨组织与假体涂层结合紧密而稳定,骨小梁向周围延展,假体涂层无脱落,随着植入时间的增加(8、16周),两组假体周围新生骨量及小梁厚度也逐渐增加(图4)。各植入期的钽涂层组及钛涂层组假体周围组织内均耒发现炎性反应细胞或淋巴细胞聚集、浸润及炎性包膜形成。(二)骨计量学分析结果假体周围⒛0像素范围内骨量面积比率(骨量分数)统计分析显示,术后4、8、I6周植人期钽涂层组假体闭围骨量面积比值两两比较差异均有统计学意义(P<Ⅱ:表o;同一时问点钽涂层组与钛涂层组假体周围骨积比值比较并舁。

讨论

在过去的30年里,各种多孔涂层假体已广泛应用于矫形外科疾患、创伤及齿科的修复治疗,这些涂层材料大部分是通过等离子喷涂、热粘结及烧结的方法在基体材料表面形成颗粒孔隙样或网孔样结构,以促进机体组织长入及假体的生物性连接"→3]。目前临床讠用的钛涂层人工关节就是金属多孔涂层假体的典型代表,它具有良好的表面生物相容性、较稳定的涂层结构及化学稳定性,克服了以往人体植人材料在机械强度、生物相容性、骨长人等综合性能方面存在的不足,是目前临床广泛应用的金属涂层假体f㈣’l。近年来,多孔钽在矫形外科的临床应用得到了普遍认可,其优点是具有较高的孔隙率(75%~80%)、接近人体松质骨的弹性模量并有较高的磨擦系数。利用多孔钽套管及衬垫组件装于传统植入材料或假体表面,达到多孔钽小梁材料与传统植人材料(假体)在机械力学和材料学方面的有机结合,有利于局部再血管化及各种生长诱导因子、生Κ因子和细胞的黏附、增殖,也有利于组织缺损或骨舯瘤切除部位的骨长入及韧带、肌腱的附丽修复,从而达到满意的假体稳定性和治疗效果。但是多孔钽作为“外衬组件”应用于关节假体也存在局限性,“外衬组件”的体积(或厚度)往往受到假体本身力学要求的限制,不适用于常规或无明显骨缺损的关节置换。

由于多孔钽“外衬组件”在人工假体表面的应用存在局限性,使得本课题组对钽是否可以作为假体涂层材料进行了新的思考。首先,钽生物材料的生物相容性及其在化学稳定性、抗腐蚀性能方面优于钛及其他金属生物材料的特性,为钽金属作为涂层材料在矫形外科的应用提供了理论依据;其次,钽涂层假体摆脱了多孔钽“外衬组件”在厚度、体积方面受假体本身力学要求的限制,可适用于非大量骨缺损状况下人工假体置换或常规状况下关节置换的假体表面;第二,与其他钽制生物材料相比,钽涂层人工假体在制作成本及制各工艺方面更容易实现,这就使得钽作为假体涂层具有明显的可行性。目前对钽涂层的研究多局限于其对工业材料的保护作用,其作为生物假体涂层的研究在国内外均极少见文献报道。针对上述原因,我们对等离子喷涂钽涂层人工假体表面骨长人及骨组织相容性进行了初步研究,旨在为钽等离子喷涂人工假体的临床应用提供实验依据。虽然髓腔内假体表面的成骨方式与骨组织损伤后的修复性成骨有所不同,但是人工关节假体表面及周围的成骨量同样是患者早期康复及假体稳定的重要指标。假体周围成骨量对其抗剪切的生物力学特性及假体早期稳定性具有重要作用,这一点已被相关假体植入后生物力学检测和组织病理学研究[231所证实。人工假体表面良好的成骨必须具各一定条件:首先是植人假体较好地锚定于人体骨组织内,其次是假体表面应具有一定孔隙率,由这些孔隙为骨长入提供适宜的成骨环境及空间,便于成骨性因子及血管形成因子停留和发挥作用,进一步促进骨细胞的附着生长。从机体排异的角度来看,周围组织对假体的反应(如无菌性炎性反应造成的炎性细胞或淋巴细胞浸润等)不仅是影响假体周围骨长入量的重要因素,同时也是影响假体与机体骨组织结合及假体稳定性的重要因素。周围组织对假体的反应性越低、假体表面孔隙内骨长人量越大,假体与骨组织联系越密切,骨-假体界面分离所需的载荷量就越大,假体在体内的稳定性也就越高。

本研究中假体植人术后4周假体周围的组织病理学观察、假体表面扫描电镜观察、EDⅩ分析结果证实:钽涂层假体表面存在明确的骨组织长人及新生骨附着,假体周围未出现明显的炎性反应及骨吸收现象,这说明钽涂层与活体骨组织间具有良好的组织相容性,这对保证假体周围骨长人、假体与新生骨的紧密结合具有积极作用。本实验中假体植人后不同时期假体周围的组织病理学特征及骨计量学分析发现,随着植人时间的不断增加,钽涂层假体周围的成骨量不断增加,假体周围的骨量面积比值在术后4、8、16周时比较差异均有统计学意义(P<0.05),与同期的钛涂层假体周围骨量面积比值比较差异均无统计学意义(P>0.05),这表明随着植人时间的延长,假体周围的新生骨量不断增加。同时,假体在体内的稳定性也在不断增强。目前,钽涂层假体的研究尚处于初期阶段,有关机体对假体的慢性毒性反应、不同孔隙率涂层骨长人量的差别及钽涂层假体生物力学特性等均有待于进一步研究。随着假体表面处理方式的多样化及假体表面与骨结合研究的日益深入,寻找和研究既有良好生物相容性、又能保证术后假体长期稳定的涂层材料仍是今后关节假体研究的主要方向之一。

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