羟基磷灰石涂层改善骨内植物界面促进骨整合

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.38.003

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (38): 5642-5649.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.38.003

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羟基磷灰石涂层改善骨内植物界面促进骨整合

秦杰¹，赵波¹，王栋¹，董军¹，李浩鹏¹，郭磊¹，王爽²，贺西京¹

¹西安交通大学第二附属医院骨科，陕西省西安市710004；²西北大学光子学与光子技术研究所，陕西省西安市 710069

收稿日期:2015-06-28 出版日期:2016-09-16 发布日期:2016-09-16
通讯作者: 贺西京，主任医师，教授，博士生导师，西安交通大学第二附属医院骨科，陕西省西安市 710004
作者简介:秦杰，男，1985年生，陕西省汉中市人，汉族，2014年西安交通大学毕业，博士，主治医师/助理研究员，主要从事人工关节研制，脊髓损伤研究。
基金资助:
2015年陕西省留学人员科技活动择优资助项目优秀类(非融合人工颈椎系统的研制)；国家自然科学基金青年项目(81401018，11404258)

Hydroxyapatite biocoating improves bone-implant interface and promotes osseointegration

Qin Jie¹, Zhao Bo¹, Wang Dong¹, Dong Jun¹, Li Hao-peng¹, Guo Lei¹, Wang Shuang², He Xi-jing¹

¹Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China; ²Institute of Photonics and Photon Technology, Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi Province, China

Received:2015-06-28 Online:2016-09-16 Published:2016-09-16
Contact: He Xi-jing, Chief physician, Professor, Doctoral supervisor, Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China
About author:Qin Jie, Ph.D., Attending physician, Research assistant, Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, Shaanxi Province, China
Supported by:
Preferential FInancing of Science and Technology Activities in Returned Overseas Graduates in Shaanxi Province in 2015; the National Natural Science Foundation of China, No. 81401018, 11404258

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：
羟基磷灰石：是哺乳类骨和牙齿的一种主要无机物成分，具有优秀的生物相容性和较高骨诱导性，常被用来作为表面包被复合物。羟基磷灰石在体内可以分解出钙和磷离子，可在骨内植物界面被局部组织吸收并诱导生长出新的骨组织。研究表明，羟基磷灰石具有促进骨内植物接触和内置物表面骨量的增加，以及在骨内植物界面减少软组织干扰的潜能。
微弧氧化技术：是一种在不含铁的金属表面内生一种氧化陶瓷层的技术。钛合金在微弧氧化处理后在抗磨损和抗腐蚀特性上都被改进，至于生物医学应用，微弧氧化过程中钙离子和磷酸根离子在电解液中以非结晶的形式存在，并且能够进入陶瓷层，使得钛合金的生物潜能显著增加。

背景：课题组设计并制造出合并颈椎融合器和人工颈椎间盘双重功能的人工颈椎及椎间连接体，以及具有羟基磷灰石涂层的人工颈椎及椎间连接体。
目的：评估此关节系统的生物力学性能及羟基磷灰石涂层在促进骨整合和长期稳定性中的作用。
方法：将24只山羊随机分为3组，空白对照组不干预，实验1组行颈椎前路C_2/3、C _3/4椎间盘摘除，C₃椎体次全切，然后行人工颈椎及椎间连接体置换；实验2组行颈椎前路C _2/3、C _3/4椎间盘摘除，C₃椎体次全切，然后行具有羟基磷灰石涂层人工颈椎及椎间连接体的置换。术后12周，采集C _1-5标本进行生物力学测试及组织学染色。
结果与结论：①疲劳实验前，实验1组、实验2组前屈后伸和左右侧屈方向的运动范围、中性区与空白对照组无差异，轴向旋转方向的运动范围、中性区高于空白对照组(P < 0.05)，前屈后伸、左右侧屈和轴向旋转方向的刚度均低于空白对照组(P < 0.05)；实验1组与实验2组各方向的运动范围与刚度均无差异；疲劳实验后的结果与疲劳实验前相似；②组织学观察显示，两种假体均有良好的生物相容性和耐磨性，在具有羟基磷灰石涂层人工颈椎及椎间连接体表面有更多的新骨生成；③结果表明，人工颈椎及椎间连接体可很好地重建颈椎运动功能，羟基磷灰石涂层可显著改善骨内植物界面，促进骨整合。
ORCID: 0000-0002-0465-5376(贺西京)

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, 颈椎间盘置换, 羟基磷灰石, 颈椎退行性疾病, 颈椎前路减压融合, 动物模型, 微弧氧化技术, 生物力学, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: We have designed and manufactured a novel artificial cervical vertebra and intervertebral complex (ACVC) which combines the cervical titanium cage with the artificial cervical disc, and also developed the ACVC with a hydroxyapatite biocoating (ACVC-HA).
OBJECTIVE: To evaluate biomechanical properties of the joint system, and the role of HA coating in promoting osseointegration and long-term stability.
METHODS: Twenty-four goats were randomly divided into three groups and underwent the anterior C _2/3 and C_3/4 discectomy, and C₃ subtotal corpectomy, followed by ACVC implantation (group 1) and ACVC-HA implantation (group 2), and given no intervention (black control group), respectively. group. At 12 weeks after surgery, C _1-5 samples were collected to undergo biomechanical tests and histological staining.
RESULTS AND CONCLUSION: Prior to the fatigue test, compared with the blank control group, the range of motion and neural zone of groups 1 and 2 in the directions of flexion-extension and lateral bending showed no significant differences, but the above indicators were significantly increased in the direction of rotation (P < 0.05). Additionally, the stiffness in all three directions was significantly lower than that in the blank control group (P < 0.05). There were no significant differences in the range of motion and neural zone in all directions between groups 1 and 2. Similar results were found after the fatigue test. The histological staining showed that both two implants had good biocompatibility and abradability, but more new bone formed on the ACVC-HA. These results suggest that ACVC can effectively reconstruct the motor function of the cervical spine after decompression. Furthermore, HA coating can markedly improve bone-implant interface to promote osseointegration.

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: Arthroplasty, Replacement, Hydroxyapatites, Spinal Fusion, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

秦杰，赵波，王栋，董军，李浩鹏，郭磊，王爽，贺西京. 羟基磷灰石涂层改善骨内植物界面促进骨整合[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(38): 5642-5649.

Qin Jie1, Zhao Bo, Wang Dong, Dong Jun, Li Hao-peng, Guo Lei, Wang Shuang, He Xi-jing.

Hydroxyapatite biocoating improves bone-implant interface and promotes osseointegration

[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(38): 5642-5649.

图/表（结果） 6

2.1 实验动物数量分析 24只山羊均进入结果分析。

2.2 非融合颈椎关节系统的设计和制作根据颈椎解剖学数据，自行设计并采用钛铝钒合金(Ti6Al4V)加工制造人用和羊用ACVC(中国专利：ZL2011101799662，ZL201120225997)由1个上终板部件，1个下终板部件，1个上椎体部件，1个下椎体部件，1枚椎体长度固定螺钉和4枚自攻固定螺钉组成(图1A)。使用微弧氧化技术在ACVC终板部件的外表面、椎体部件的外表面和椎体固定螺钉上包被了一层30 μm厚的羟基磷灰石涂层(图1B)。

2.3 临床和影像学观测结果山羊颈椎前路手术全部成功并且在实验期内(12周)能够良好耐受ACVC和具有羟基磷灰石涂层ACVC。数据(略)显示，两组手术时间、出血量、麻醉苏醒时间和恢复自主饮食时间无显著差异。实验1组1只山羊在术后6 周进行影像学摄片前的全身麻醉后未苏醒，1只动物在术后4 d出现了伤口感染，积极伤口处理和抗生素使用后于2 周内恢复。两组各有1只动物出现了轻度呼吸道感染，静脉使用抗生素后恢复。术后动物健康状况良好，未见神经病理反射，肌电图与术前相比未见明显异常。两组装置在术后位置良好。动物存活期内，未发现骨折、人工关节脱位、螺钉松动等并发症，两组影像学图片未见明显差别(图2)。

2.4 生物力学测试结果 3组疲劳实验前在2.5 N•m载荷下的生物力学(运动范围、中性区、刚度)测试结果，见表1。使用方差分析进行两两对比发现，与空白对照组比较，实验1组在屈伸和侧屈方向上的运动范围和中性区没有显著差异，在旋转方向上的运动范围和中性区显著增大，刚度在3个方向上均较空白对照组显著减小。实验1组与实验2组间各指标比较均无显著差别。疲劳实验后的数据与疲劳实验前的没有显著性差异，并且疲劳实验后，实验2组的各项生物力学数据与空白对照组和实验1组对比具有类似的结果，见表2。

2.5 骨内植物切片组织染色结果山羊颈椎在术后12 周的骨内植物组织切片显示，在骨和内植物界面周围没有明显的炎症反应和明显可见的金属碎片，说明了无论是ACVC的钛合金表面还是羟基磷灰石涂层表面，都具有很好的生物相容性和一定的耐磨损性。可在两组椎体部件和螺钉周围观察到新骨形成。在椎体部件水平，实验2组呈现了较实验1组明显多的新骨形成，虽然在多数情况下这种新骨的形成没有与椎体部件紧密贴合，但多为骨组织或软骨组织，而不像在实验1组那样，周围被软组织(如纤维结缔组织)广泛干扰(图3A，B)。这种现象在螺钉水平显示得更加明显，在实验1组的螺钉周围几乎完全是被黄色的纤维组织包绕，在实验2组的螺钉周围可明显观察到其周围几乎完全被红色的骨组织包绕(图3C，D)。

对两组椎体部件水平和螺钉水平的骨内植物接触率进行抽样统计显示，椎体部件水平的骨内植物接触率低于螺钉水平，而无论在椎体部件水平还是在螺钉水平，实验2组的骨内植物接触率均高于实验1组(图4)。

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引言

颈椎退行性病变是由颈椎椎间盘脱出和/或椎管狭窄导致的颈部和/或根性上肢疼痛和神经症状。颈椎前路减压融合(anterior cervical decompression and fusion，ACDF)是治疗颈椎退行性疾病的标准术式，其并发症包括颈椎运动范围减低、假关节形成、取骨处并发症等，还可能加速融合临近节段退变和动力学不稳定^[1-2]。一些生物力学结果显示，融合导致的手术节段活动度丧失会引起临近节段运动范围、椎间盘内压、椎间小关节应力增加^[1，3]，且对于多节段椎间盘病变，尤其是合并椎体病变时，临床上常常需要切除相邻的椎间盘，并进行椎体次全切，之后以植骨块或者椎间融合器的方式进行融合。该术式可有效切除病变组织进行减压并重建椎体稳定性，但却使多个脊柱节段丧失了活动性，更有可能加速临近节段退变。尽管这种临近节段退变究竟是融合导致还是疾病自然进程导致的，目前仍然存在着广泛争议，但运动保留技术被认为对脊柱的固有生物力学特性影响较少，可减少临近节段过度运动、椎间盘内压和椎间小关节内压，为阻止或延缓临近节段退变提供可能^[4]。近年来，颈椎前路椎间盘置换(anterior cervical disc replacement，ACDR)作为融合手术的替代方案，越来越多地被用于治疗颈椎间盘退行性疾病。理论上，颈椎间盘置换的优势是重建正常的椎间盘活动性、恢复正常椎间高度及分担椎间盘和关节面的压力，这被认为可避免或者减低临近节段退变的可能性。ACDR的适应证与ACDF相似，但ACDR对椎间盘和椎体(尤其是终板)有着更为严格的要求。ACDR目前不建议被用于多于2个节段的病变、颈椎不稳、临近手术节段已行融合手术、创伤后椎体缺损或畸形及严重椎管狭窄患者^[5]。既然目前椎间融合器技术和人工颈椎间盘技术被广泛应用于临床实践，并且取得了令人满意的临床效果，那么是否可结合椎间融合器的支撑功能和人工椎间盘的运动功能，在合并椎体病变或者需要进行椎体次全切的手术中，使用一种合并了椎间融合器和颈椎间盘双重功能的复合关节系统来代替目前常用的融合技术呢？为了解决这个问题，实验设计了一种新型的非融合颈椎人工关节系统，命名为人工颈椎及椎间连接体(artificial cervical vertebra and intervertebral complex，ACVC)，希望其能够在术后提供即时稳定性的同时保留手术节段的活动性。

内植物长期稳定性是骨科植入物设计需要考量的关键因素之一。对于金属结构的人工关节来说，进行表面改良对于促进骨长入和骨整合非常重要。羟基磷灰石是钙磷灰石(Ca₅(PO₄)₃(OH))的自然矿化物，是脊椎动物骨骼和牙齿的主要组成成分，具有优良的生物相容性，还可作为骨性结构的诱导因子，在体内置入后释放出钙和磷离子，被假体周围组织吸收并诱导生成新的骨组织。但制约它们应用的主要缺点是有限的机械强度。作为解决这种问题的一个方案，可在金属骨内植物表面包被一层很薄的生物活性磷酸钙，这样就可结合金属的强度和生物陶瓷的骨结合能力。因为羟基磷灰石具有生物相容性和骨诱导性，可促进骨内植物整合，增强内植物长期稳定性，使用羟基磷灰石包被金属内置物很有希望加速骨整合和增加骨内置物接触^[6]。在金属材料表面形成羟基磷灰石和其他磷酸钙包被的医学处理方案也已被报告，如等离子喷镀^[7]、电子束喷涂、离子束喷涂等。微弧氧化是一种可在金属及其合金(如Ti、Ti6Al4V、Mg和Al)表面形成陶瓷涂层的很有潜力的技术。很多研究阐述了微弧氧化处理的涂层有很好的生物相容性、生物活性和很强的结合能力，可显著提升假体周围骨形成和骨内植物界面的稳定性^[8-10]。因此，实验使用微弧氧化技术在钛合金(Ti6Al4V)的ACVC表面形成了一层羟基磷灰石涂层，希望能够提高该关节系统的长期稳定性。

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 设计生物力学及组织学体内实验。

1.2 时间及地点实验于2010年9月至2012年12月在西安交通大学第二附属医院骨科实验室完成。

1.3 材料在获得西安交通大学第二附属医院实验动物保护及使用委员会批准后，采用山羊作为实验动物，设计了适合于人类和山羊的ACVC及具有羟基磷灰石涂层的ACVC，建立颈椎前路手术山羊动物模型，采用临床评估、生物力学测试和组织学方法来评估ACVC在体内环境的安全性和有效性，以及羟基磷灰石在该新型颈椎非融合关节系统中的作用。

实验动物：24只(22±4)月龄成年山羊，体质量(54.8± 6.8) kg，雌雄各半，购自西安交通大学医学部动物中心，随机分为3组，空白对照组、实验1组和实验2组，每组8只，雌雄各半。

1.4 实验方法

非融合颈椎关节系统的设计和制作：在采集了人和山羊颈椎标本解剖数据的基础上，设计了ACVC，并且在ACVC的基础上，采用微弧氧化技术在ACVC终板部件的外表面(上终板部件的上表面和下终板部件的下表面)和椎体部件的外表面，以及椎体固定螺钉的外表面形成一层厚度约30 μm的羟基磷灰石涂层，将其命名为具有羟基磷灰石涂层的ACVC。

术前准备及麻醉：对所有动物在术前1周摄取X射线正侧位片，以排除颈椎骨性异常。术前24 h对山羊禁水禁食。手术当天及术后2 d给予头孢唑林。麻醉方案：术中所有动物使用全身麻醉，每只动物先皮下注射 0.04 mg/kg阿托品，以减少支气管黏液分泌，之后给予10 mg/kg氯胺酮和0.3 mg/kg甲苯噻嗪肌肉注射，继而静脉滴注6 mg/kg 2.5%硫戊比妥钠溶液以诱导麻醉。之后使用8 mm直径气管插管辅助呼吸，1%氟烷及体积分数25%-30%氧气维持麻醉。

手术步骤：麻醉生效后，山羊仰卧位选择颈部前外侧入路进行手术，颈部区域消毒、铺巾后，采用C₃椎体水平横切口，逐层暴露，切断颈阔肌，在颈动脉鞘和气管食管鞘之间，分离椎前筋膜达颈椎前缘，暴露C_2-4椎体前缘。此时，空白对照组逐层缝合后结束手术；实验1，2组行颈椎前路C_2/3、C_3/4椎间盘摘除，C₃椎体次全切，然后分别行ACVC或羟基磷灰石涂层ACVC置换。

术后护理监测：术后护理由兽医及动物护理人员完成。术后4周移除颈部石膏管型，动物返回正常的生活环境，并且允许颈部不受限制的正常活动。术后监测饮食习惯、活动习惯、健康状态和神经反射功能。术后常规进行影像学评估融合、关节移位、骨折或者塌陷等情况。所有动物饲养12周后施行安乐死采集标本。

1.5 主要观察指标

生物力学测试：动物安乐死后，立即采集C_1-5节段，保留标本骨骼、韧带、关节囊、椎间盘等关节相关结构的完整性，仔细剔除肌肉和脂肪组织，保存于-20 ℃冰箱中。使用长螺钉固定C₁和C₂、C₄和C₅椎体后，使用速干型环氧树脂包埋标本两端，之后夹入颈椎固定夹具中，在MTS858生物力学测试机(MTS System Inc., Minneapolis，MN，USA)上以2.5 N•m的载荷，0.5 (°)/s的速度在前屈后伸、左右侧屈和轴向旋转3个方向上进行生物力学测试。采用运动范围、中性区和刚度作为参数对比3组标本C₂-C₄节段的动力学特性。负载施加5个完整周期，最后1个周期的数据被用来进行数据分析。此外，进行5 000次旋转运动的疲劳试验(载荷1 N•m；频率0.25 Hz)。测试过程中使用生理盐水喷雾保持标本湿润。

组织化学染色：生物力学测试后，将山羊颈椎标本在4 ℃条件下固定在Karnovsky固定液中(含有40 g/L多聚甲醛和5%戊二醛)2周，标本随后在梯度乙醇系列中脱水后被包埋在多聚甲基丙烯酸甲酯中，直接采用硬质切片机(非脱钙)切割成厚度为100 μm的切片，随后打磨成80 μm。使用Masson丽春红三色染色法进行染色并使用光学显微镜进行观察。具体步骤为：切片脱蜡后，1%磷钨酸染色10 min后蒸馏水冲洗，可溶蓝染色8 min后蒸馏水快洗，随后甲苯胺蓝染1 min，体积分数70%乙醇分化30 min后蒸馏水快洗，苦味酸-桔黄液中30 min后蒸馏水快洗，丽春红混合液中30 min后蒸馏水快洗，3次无水乙醇进行脱水，使用二甲苯进行透明处理和中性树胶进行封固后，在光学显微镜下进行观察，红色的是骨质，桔黄色的是纤维组织，蓝色的是软骨。同时抽样统计骨内植物接触率：骨内植物接触总长度/内植物的周长×100%，骨内植物接触被定义为：骨组织位于内植物表面20 μm内的界面，并没有任何软组织干扰。

1.6 统计学分析使用SPSS 13.0软件对上述测量结果进行统计，得到3组山羊颈椎标本的运动范围、中性区和刚度，计算平均数和标准差，以x(_)±s的形式表示，数据两两对比使用方差分析(ANOVA)进行比较。对实验1组和实验2组的骨内植物接触率进行抽样统计，数据以x(_)±s的形式表示，并对其进行学生双尾t 检验。P < 0.05被认为差异有显著性意义。

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

讨论

3.1 关节材料的选择与其他不锈钢或者钴镍合金相比，钛和钛合金的优势在于它们的机械强度接近骨，在骨科和牙科材料中用于人工关节和牙根^[11]。然而，钛或钛合金与周围自然骨仍然存在不同机械特性(弹性模量)，导致不良效应，例如应力遮挡，引起假体不稳定和松动^[12]。理想的生物材料是可以真正整合入骨而没有任何形式遮挡效应的，为了消除或减轻这种效应，许多新的钛合金被发展作为硬组织内植物。对于骨科内植物来说，长期稳定性非常重要，在设计ACVC时，已注意采用一些措施来促进骨长入和骨整合，保证长期稳定性，但假体的表面处理对于维持长期稳定性也十分重要。钛合金表面缺乏生物活性，在钛合金表面的骨整合往往发生得不是太好。此外，由于钛合金的弹性模量毕竟与周围骨组织不一致，容易在金属-骨组织界面产生应力，造成关节微动，尤其是颈椎关节这样较小的关节，这种微动对于关节稳定性的影响更大。为了能够在关节表面促进骨长入，产生良好的骨整合效果，很多表面处理技术被应用在人工关节表面。对于钛合金关节，目前主要的表面处理技术是表面粗糙化和表面涂层化，目的都是通过表面改造促使骨长入和促进关节的长期稳定性。

3.2 非融合理念和运动保留技术退行性椎间盘病变是一种常见的脊柱疾病，椎间盘的解剖学特征和生物力学性能非常复杂，椎间盘退变的病理学机制尚未完全清楚。人工椎间盘置换作为脊柱非融合理念及运动保留技术的代表，逐渐获得了广泛关注和应用。非融合理念的基本原则有：手术节段在术后更符合生理特点，维持类似生理运动范围；降低临近节段退变和临近节段疾病的发生可能；早期恢复颈部运动；减少围手术并发症。颈椎间盘置换和髓核置换主要是单个或最多2个椎间盘病变后的非融合固定技术，而对于多节段椎间盘病变尤其是合并椎体病变(如椎体后缘骨赘、后纵韧带骨化、创伤、肿瘤等)时，临床上以椎体次全切后进行融合作为主要治疗手段，该方案切除病变组织并重建稳定性，但多个脊柱节段丧失活动性，有可能加速临近节段退变。作者设计的ACVC即为了结合椎间融合器的支撑功能和人工椎间盘的运动功能，在合并椎体病变或需要进行椎体次全切手术中，使其成为一种能够包括椎间融合器和颈椎间盘双重功效的非融合颈椎关节系统，代替目前常用的融合技术和椎间盘置换。ACVC是非限制性球槽关节系统，允许独立于前屈后伸的前后滑移运动，这是球窝关节所无法满足的。人体颈椎有约2 mm的正常前后滑移运动，因此，ACVC可使关节运动更加符合正常生理运动及颈椎正常生物力学特性，减少术后临近节段退变的可能。这是人工颈椎关节设计在动力学方面上的一个重要理念，可使任何正常运动包括由前屈或者后伸、侧屈、旋转及前后滑移组成的组合运动。与空白对照组相比，ACVC置换后的运动范围仅在旋转方向上显著增大，为1.56倍(17.5/11.2)，而在前屈后伸和左右侧屈上无显著性差异，且运动范围在疲劳实验前后无明显差异；中性区也仅在旋转方向上显著增大，为3.4倍(3.4/1.0)，在前屈后伸和左右侧屈上无显著性差异，且中性区在疲劳实验前后无明显差异。在设计该关节时，首要目标是促进屈伸功能恢复，而理论上屈伸运动在保留运动功能及预防临近节段退变发挥着主要作用。因此，即使在轴向旋转方向上的运动范围和中性区较空白对照组明显增大，仍然认为ACVC能够在体内减压后保留运动功能上有益。与空白对照组相比，ACVC置换后的刚度在3个方向上均减小，以旋转方向上减小最多，为0.08倍(0.02/0.24)，以屈伸方向上减小最少，为0.53倍(0.31/0.58)。刚度数据在疲劳实验前后无显著性差异。这是由ACVC关节面的金属特性决定的，光滑金属面形成的关节降低了摩擦系数，减少了磨损，降低了整个系统对外界形变的抵抗力。疲劳实验前后结果模式类似，证明了ACVC在一定的磨损强度下能够保持一定程度的抗疲劳能力。

实验2组无论在手术、临床效果、影像学评价及生物力学测试中都显示了与实验1组一致的结果。这显示了具有羟基磷灰石的ACVC不会在手术中增加额外的操作步骤，不会出现与ACVC不同的意外临床结果。12周实验期内并没有观察到两者之间存在明显差别，说明12周观察期内羟基磷灰石的骨诱导作用无法发挥到影响影像学及生物力学结果的强度。

3.3 微弧氧化处理羟基磷灰石在促进内植物长期稳定性中的作用内植物的成功取决于安放假体的部位有足够的骨质和骨量，因为内植物需要经历骨整合阶段，理想的骨内置物界面和有效的骨整合十分重要。羟基磷灰石一开始被做骨诱导增强材料，能与骨生成细胞起化学作用并释放骨形成需要的离子，改善局部微环境，不仅因为其化学组成与骨组织类似，而且因为它与骨的化学性结合作用。但因为较差的机械性能，使其在临床应用受到了限制^[13-14]。另外，钛和钛合金因为很好的生物相容性和机械学特性一直被广泛应用于治疗硬组织缺损，但钛和钛合金不是生物活性材料。因此，对钛合金包被羟基磷灰石及对钛合金表面进行改良变成了给钛合金提供良好骨结合能力很流行的方法^[15]。目前，羟基磷灰石等离子喷镀被广泛应用于临床^[16]，虽然这种包被方案显示了很好的生物相容性，但也存在包括羟基磷灰石的多孔性、低疲劳强度、降解、与金属材料较弱的附着能力及长期置入后的分层现象等许多问题^[17]。

作者采用微弧氧化技术对关节的金属结构进行表面涂层处理。Shi等^[18]在骨质疏松绵羊模型中，使用微弧氧化技术处理的椎弓根螺钉可显著提升骨反应与固定稳定性。微弧氧化处理过的椎弓根螺钉可在骨螺钉界面同时提供机械连扣作用和生物化学连接作用，来发挥来减低螺钉松动的作用。Huang等^[19]研究发现，通过微弧氧化技术处理的具有羟基磷灰石涂层的内置物表面，骨向多孔结构的内生进程被加速了，因为骨样磷灰石使得表面具有生物活性^[20]。其次，涂层与金属贴合非常好，可在骨和多孔表面之间不仅提供对长期临床固定非常必要的机械连扣作用，而且在磷灰石涂层获得了化学结合^[21]。因此，微弧氧化技术可在内植物表面，即使是复杂的几何表面(如螺钉、金属多孔涂层)，形成均匀的涂层。

12周后的组织切片显示，在内植物椎体部件水平和螺钉水平周围不同程度的新骨形成，在实验1组，软组织以很大的面积浸润骨内植物界面，只有很少的骨直接接触内植物表面；在实验2组，骨形成在羟基磷灰石包被的ACVC表面，在骨质和内植物周围有一个同心圆区域连续厚度，虽然没有与椎体部件十分紧密的接触，但也不像实验1组那样被大范围的软组织干扰。在螺钉水平，骨形成在实验2组周围是广泛而连续的，新骨形成延伸几乎整个螺钉周围，并且很少有软组织浸润，不像实验1组那样周围有广泛的纤维组织浸润。骨形态学统计显示，实验2组表面比实验1组表面具有更高的骨内植物接触率。羟基磷灰石与骨、结缔组织和上皮具有很高的生物相容性。它经常显示出与骨组织非常亲密的接触，而骨组织倾向于长入细微的不规则羟基磷灰石晶体表面。很多研究显示，羟基磷灰石可刺激成骨细胞中骨相关的mRNA和蛋白的表达^[22]。体外实验提供了它们的生理功能信息。与单独的微结构表面对比时，加强了微结构或者纳米结构形态学特征的钛合金表面提高了成骨行为，如增强的细胞附着、增殖、碱性磷酸酶活性及上调骨相关蛋白的基因表达^[23-24]。研究同样表明了钛合金表面的纳米结构可诱导特定细胞的倾向性，如吸引骨生成细胞(如成骨细胞)而不是成纤维细胞的迁移。在生物材料研究中，材料的表面化学和形态学是相互依赖的。因此，从表面形态学中分离表面化学的作用是非常困难的。例如，在文献中当钛标本有不同的表面形态时，这些标本设计不同的表面化学，羟基磷灰石包被包括了表面形态的明显改变，同时改变了表面化学特性。因此，羟基磷灰石包被过的金属表面增强的骨整合能力，也许不仅是因为羟基磷灰石添加的表面化学而且也可能是由于表面形态拓扑学的改良导致的。

综上所述，在实验期内，ACVC很好地重建颈椎运动功能，尤其在前屈后伸和左右侧屈方向上，在置换后为颈椎提供良好的即时稳定性和活动性。具有羟基磷灰石涂层ACVC置换后在临床结果、影像学结果和生物力学数据上与ACVC置换无显著差异。羟基磷灰石可显著改善骨内植物界面，促进骨整合，对内植物的长期稳定性有利。

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

羟基磷灰石涂层改善骨内植物界面促进骨整合

Hydroxyapatite biocoating improves bone-implant interface and promotes osseointegration

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