钛合金内固定材料修复脊柱结核：生物相容性及力学性能

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.30.015

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：
不锈钢材料：是脊柱结核修复中常用的材料，该材料能够帮助患者重建脊柱，促进缺损部位修复。但不锈钢材料生物相容性较差，置入机体后材料与骨质膨胀系数不同，导致术后机体并发症发生率较高，不利于机体术后恢复。
钛合金内固定材料：钛属于是一种安全、无害的金属元素，该金属材料与人骨的弹性模量十分接近，因此在置入人体后，能与人体的力学产生良好的相容性。钛合金内固定材料具有密度小、韧性好、生物相容性好等优点，材料弹性模量与骨弹性模量十分接近，置入机体后不会引起过敏、发炎等并发症。

背景：目前，对于脊柱结核主要以内固定治疗为主，但选择何种内固定材料尚存在较大的争议。
目的：比较钛合金和不锈钢内固定材料修复家兔脊柱结核的生物相容性及力学性能。
方法：取30只家兔，建立家兔脊柱结核模型，随机分为2组，每组15只，分别置入不锈钢材料、钛合金材料进行内固定修复。置入30 d后，观察两组生物相容性，检测脊柱修复部位生物力学性能。
结果与结论：①生物相容性：钛合金内组未出现感染、免疫排斥等不良反应，不锈钢组3例家兔出现感染；②生物力学：钛合金组加载后前屈、后伸及侧弯距离显著小于不锈钢组(P < 0.05)，前屈、后伸、侧弯位移量显著少于不锈钢组(P < 0.05)，最大轴向拔出力显著大于不锈钢组(P < 0.05)，前屈、后伸、侧弯及轴向压缩显著大于不锈钢组(P < 0.05)；③结果表明：钛合金内固定材料具有良好的生物相容性，能够恢复和维持脊柱稳定性。

ORCID: 0000-0002-5714-2582(尚显文)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 钛合金, 不锈钢内固定材料, 脊柱结核, 生物相容性, 力学性能, 轴向拔出力, 稳定性

Abstract:

BACKGROUND: Currently, surgical implant fixation is mainly applied for spinal tuberculosis. How to choose implant materials, however, is still under discussion.
OBJECTIVE: To compare the biocompatibility and mechanical properties of titanium alloy and stainless steel for rabbit spinal tuberculosis.
METHODS: Thirty rabbits were chosen to prepare spinal tuberculosis models. Then, the rabbits were equivalently randomized into two groups, which underwent implant fixation with stainless steel or titanium alloy, respectively. At 30 days after implantation, biocompatibility and biomechanical properties of the two materials in the repaired region of spine were observed and detected, respectively.
RESULTS AND CONCLUSION: In view of the biocompatibility, infection and immunological rejection could not been found in the titanium alloy group; in contrast, infection appeared in three rabbits of the stainless steel group. Flexion, extension and lateral bending displacements under the spinal loading in the titanium alloy group were significantly less than those in the stainless steel group (P < 0.05); axial pull-out strength in the titanium alloy group was significantly higher than that in the stainless steel group (P < 0.05); flexion, extension, lateral bending and axial compression in the titanium alloy group were significantly greater than those in the stainless steel group (P < 0.05). In conclusion, titanium alloy material has good biocompatibility that can be used to restore and maintain the spinal stability.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: uberculosis, Spinal, Stainless Steel, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 4

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引言

脊柱结核属于发病率较高的骨关节结核，该疾病占骨关节结核的50%，且发病部位主要集中在腰椎、胸椎，而在骶尾椎中比较罕见^[1]。从病灶形态可将脊柱结核分为3种类型：中心型、边缘型以及骨膜下型，患者发病后会随着病灶形态的不同表现为不同程度的后凸畸形。数据报道显示，脊柱结核患者发病后神经并发症发生率为10%-17%，如果不采取积极有效的方法治疗，将会影响机体整体脊柱稳定^[2-3]。同时，病变脊柱则增加了结核病变物质侵入率，形成一种恶性循环，增加并发症发生率^[4-5]。因此，患者手术过程中不仅需要彻底清除病灶，还应用加强术后畸形部位的矫正，帮助患者重建脊柱稳定性，改善机体神经功能^[6]。

随着组织工程的不断发展，新型生物材料在脊柱结核患者修复中得到应用，并取得了理想治疗效果。理想的脊柱结核修复材料必须具备无毒，置入后不会对机体产生明显的免疫排斥反应，并且还应该具备生物降解特性^[7-8]。近年来，钛合金和不锈钢内固定材料在大鼠脊柱结核修复中得到应用，不锈钢材料是脊柱结核修复中常用的材料，该材料能够帮助患者重建脊柱，促进缺损部位修复^[9-10]。但不锈钢材料生物相容性较差，置入机体后材料与骨质膨胀系数不同，导致术后机体并发症发生率较高，不利于机体术后恢复。而钛合金内固定材料具有密度小、韧性好、生物相容性好等优点，材料弹性模量与骨弹性模量十分接近，置入机体后不会引起过敏、发炎等并发症^[11-12]。但临床上对于不锈钢材料及钛合金材料修复效果，以及钛合金生物相容性和生物力学性能的报道较少^[13-14]。

实验分析钛合金和不锈钢内固定材料在家兔脊柱结核修复中的应用，探讨钛合金内固定材料植入脊柱结核生物相容性及力学性能。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计随机对照动物实验。

1.2 时间及地点实验于2015年1至10月在贵州医科大学附属医院骨科完成。

1.3 材料

实验动物：家兔30只，体质量为2.1-3.4 kg，平均(2.8±0.31) kg，雌雄随机，由贵州医科大学附属医院动物实验中心提供，饲养严格遵守相关标准进行饲养，许可证号:SYXK(京)2011-0039。对家兔进行等条件喂养，对家兔的处理符合《关于善待实验动物的指导下意见》中相关规则^[15-16]。将30只家兔随机分为不锈钢组和钛合金组，每组15只。

内固定材料：①不锈钢内固定材料：不锈钢内固定材料购置于北京奥比利克新技术开发有限公司，该固定材料具备较强的抗腐蚀性能、延伸性以及韧性^[17-18]；②钛合金内固定材料：钛合金内固定材料购于深圳生物桥科技开发有限公司，该材料具有较强的生物力学性能及生物相容性，材料采用Ti6Al4V钛合金^[19-20]。

1.4 实验方法将标准菌株H37Rv在实验室采用罗氏培养基进行扩增二三周后，取上长良好的菌落，研磨后配成均匀的悬液，质量浓度为5.0 g/L。将所有的家兔背部脱毛被后固定在手术板上，采用浓度为3.6%水合氯醛进行全身麻醉，剂量为20 mg/kg，待麻醉生效后进行消毒、铺巾，以L₆椎体棘突为中心作长度约为6 cm的纵切口，后方入路充分暴露L_5-6椎体，并且在L₆椎体上部近椎间盘处从左前方向右后钻长为0.3 cm×0.8 cm× 0.4 cm的骨孔，将家兔骨孔道止血后填入明胶海绵，待切口成功后采用1-0丝线间断关闭切口，建立脊柱结核模型，见图1^[21]。

不锈钢组术中置入不锈钢材料，钛合金组置入钛合金内固定材料，彻底止血后进行封层缝合。置入后1个月后处死家兔，模拟L_3-4脊柱结核病变切除手术，切除L_3/4椎间盘，切除高度为2 cm，范围为前柱和部位中柱，保留完整的椎弓根连接部位，完整的后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带和椎间小关节^[22]。

1.5 主要观察指标

生物相容性：置入后1个月后处死家兔，观察机体并发症发生情况，判定材料与机体间的生物相容^[23]。

稳定性测试：置入后1个月后处死家兔，获得L_4-5节段脊柱结核，采用偏心加载方法模拟脊柱结核修复部位前屈、后伸以及侧弯运动。根据脊柱情况确定加载中心，采用滚珠进行加载，并采用水平尺进行测量，确定加载后上部平台不同方向受力均保持水平，标记该点，并记录该店前后1 cm左右的偏心加载点，模拟脊柱前屈、后伸以及侧弯运动，采用0-8 N•m连续加载，加载速度为2 mm/min，预载100 N^[24-25]。

轴向拔出实验：置入后1个月后处死家兔，获得L_4-5节段脊柱结核，将L_4-5节段脊柱结核放在专用夹具上，并放置在万能试验机上，选择合适的拉伸方案，拉伸速度控制在3 mm/min，终止条件为拉伸8.0 mm，获得两组内固定的最大拔出力^[26-27]。

应变测试：应变测试仅在椎间骨的稳定性试验中进行，将应变片贴在固定棒的L_4-5节段脊柱结核中部前缘，左右各粘贴1片，采用导线连接在应变仪上，通过测量固定棒中央的应变能够获得该部位的应力的大小^[28]。

1.6 统计学分析采用SPSS 18.0软件对采集到的数据进行分析，其中符合正态分布的数据进行单因素方差分析，存在统计学意义予以LSD法两两比较。P < 0.05提示经比较两组数据间存在统计学差异。

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讨论

结核病发病率较高，该疾病发病机制相对复杂且因为多方面原因，结核病发生率呈现上升趋势，尤其是脊柱结核，该类疾病发病部位相对较深、发病后缺乏典型的临床症状，导致临床诊断、治疗难度相对较大^[29-30]。脊柱骨骼在机体中缺乏明显的组织细胞含量，导致结核杆菌在机体内生长速度相对较慢，发病后不会表现出明显的临床症状^[31]。同时，临床上对于脊柱结核诊治时误诊率或漏诊率较高，如脊柱布鲁氏菌感染等。因此，多数脊柱结核患者早期仅表现为消瘦、午后潮热、盗汗等临床症状，待病灶部位累及脊椎时，患者将表现为明显的疼痛感、不敢弯腰等。多数患者临床诊断时被诊断为椎间盘突出症、软组织劳损，部分患者甚至被诊断为风湿等，延误了最佳治疗时机。传统治疗方法以长期服用抗结核药物治疗为主，该方法虽然能够改善患者症状，但长期疗效欠佳，预后较差，患者治疗依从性较差。同时，脊柱结核患者由于治疗时间相对较长，多数患者已远离正常的社会较长时间，导致患者生理、心理等方面均受到巨大影响，不利于患者治疗预后的提高和患者生活质量的改善^[32]。

近年来，手术疗法在脊柱结核病患者中得到应用且效果理想，通过有效的手术治疗能够重建脊柱，提高脊柱稳定性，并且对局部结核的控制及骨性融合等均会产生积极作用，能够有效提高临床疗效，更好地维护脊柱稳定^[33-34]。相关学者进行了一次研究，研究中对脊柱结核患者采用前路病灶清除人工骨置入方法治疗，结果显示该治疗方法能够帮助患者矫正畸形，降低术后结核复发且治疗方法相对安全^[35-36]。

钛是一种安全、稳定的金属元素，该材料与其他材料相比优势较多，材料的弹性模量与人骨弹性模量更加相近，并且在机体内具有良好的生物相容性^[37-38]。同时，钛合金还具备较强的惰性及抗腐蚀能力，能够避免患者术后感染。此次研究中，钛合金内组置入1个月后并未出现感染，支架组织与脊柱周围结核组织联合，钛合金生物相容性良好，显著优于不锈钢组。相关学者进行了一次实验，结果显示，对于脊柱结核患者而言，患者发病后实施一期前路病灶清除置入人工珊瑚骨内固定效果理想，能矫正畸形的效果，降低了术后复发率，属于是一种相对安全、可靠的治疗方案。同时，部分学者对各种脊柱结核患者进行外科内固定治疗，该方法能充分发挥内固定即刻重建作用，能稳定脊柱的稳定型，促进局部结核的控制及骨性融合。

同时，钛属于是一种安全、无害的金属元素，该金属材料与人骨的弹性模量十分接近，因此在置入人体后，能与人体的力学产生良好的相容性。此外，钛合金具有较强的惰性及抗腐蚀能力，置入机体后不容易引起感染等并发症。因此，钛合金被广泛应用于临床对多种疾病的治疗，均发挥了良好的作用。为了进一步评价钛合金脊柱内固定材料的生物力学性能，研究中对两组不同的材料进行了强度实验、稳定性实验及疲劳实验等。强度及疲劳性实验均为破坏性试验，它能够评价内固定材料固定后材料的强度及整体结构的刚度^[39]。此次研究中，钛合金组最大轴向拔出力显著大于不锈钢组(P < 0.05)，前屈、后伸、侧弯及轴向压缩显著大于不锈钢组(P < 0.05)。而稳定性实验属于非破坏性的实验，能够评价在生理负荷下内固定系统的稳定性。此次研究中，钛合金组后前屈、后伸以及侧弯距离显著小于不锈钢内固定组(P < 0.05)。通过强度试验、稳定性试验及疲劳实验能够综合反映钛合金内固定材料的总体性能，从实验中可以看出：钛合金内固定材料在惰性、生物相容性、抗压强度、刚度等方面均有独特的优势，适用于脊柱结核中修复^[40]。但其他研究结果也表明，结核分支杆菌对内植物材料的低黏附性可能是临床脊柱结核内固定安全的隐患之一，临床对脊柱结核患者的内固定过程中应该注意选择合适的置入材料。

综上所述，钛合金内固定材料具有较强的惰性及抗腐蚀性能，置入修复脊柱结核后不易出现感染等并发症，具有良好的生物相容性，能够恢复和维持脊柱稳定性，具有较高的临床应用价值。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程