预紧力作用下钛合金人工假体界面骨小梁形态参数测量与统计分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2849

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (4): 516-520.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2849

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预紧力作用下钛合金人工假体界面骨小梁形态参数测量与统计分析

李晨杰，吕林蔚，宋阳，刘静娜，张春秋

天津理工大学，天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津市 300384

收稿日期:2019-12-23 修回日期:2019-12-27 接受日期:2020-02-24 出版日期:2021-02-08 发布日期:2020-11-21
通讯作者: 吕林蔚，讲师，天津理工大学，天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津市 300384
作者简介:李晨杰，男，1999年生，陕西省高平市人，汉族，天津理工大学本科在读，主要从事机械工程研究。
基金资助:
国家自然科学基金青年基金(11702191)；中国博士后基金(2018M631751)；国家自然科学基金青年基金(11702190)

Measurement and statistical analysis of trabecular morphological parameters of titanium alloy peri-prosthesis under preload

Li Chenjie, Lü Linwei, Song Yang, Liu Jingna, Zhang Chunqiu

Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China

Received:2019-12-23 Revised:2019-12-27 Accepted:2020-02-24 Online:2021-02-08 Published:2020-11-21
Contact: Lü Linwei, Lecturer, Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China
About author:Li Chenjie, Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China
Supported by:
the Youth Fund of National Natural Science Foundation of China, No. 11702191 ; the China Postdoctoral Foundation, No. 2018M631751; the Youth Fund of National Natural Science Foundation of China, No. 11702190

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
骨整合：是活骨与承重的人工植入物表面之间的直接结构连接和功能连接。最近的定义将骨整合定义为“功能性强直症(骨附着)”，其中新骨直接生长于植入物表面，并且植入物表现出力学稳定性(即抵抗由剪切力造成的不稳定作用)。骨整合提高了临床骨关节置换术以及牙科植入的科学性，同时也改善了假体生物相容性。
骨小梁形态参数：是对松质骨多孔结构的一种计量分析的表示方法。骨小梁形态参数的测量主要借助micro-CT影像重建的三维实体模型，主要参数包括骨体积分数(兴趣区域内骨体积与组织体积的比值)、骨表面积比(兴趣区域内骨的表面积与组织体积的比值)、平均骨小梁厚度、单位长度内平均骨小梁的数量、骨小梁分离度(每两根骨小梁之间的平均距离)。

背景：钛合金人工假体植入后会产生应力遮挡，破坏该区域内骨组织的力学微环境，影响正常骨重建进程。采用过盈配合方式产生预紧力植入人工假体重建该区域内的力学微环境，达到保证术后中远期骨重建进程，具有重要的理论意义与临床应用价值。
目的：分析预紧力对多孔钛合金人工假体骨整合的促进作用。
方法：将14只雄性新西兰大白兔分为2组，实验组在右侧后腿股骨髁外侧以过盈配合方式植入1颗3D打印钛合金人工假体，对照组自由饲养，每组7只。术后12周取术侧股骨，进行micro-CT扫描及三维重建，测量假体区域骨密度与骨小梁组织形态学参数。动物实验方案已获天津市医药科学研究所动物伦理委员会批准，批准文号：IMPS-EAEP-Z-2019108-01。
结果与结论：①实验组骨密度明显低于对照组(P < 0.05)；②实验组骨体积分数、平均骨小梁厚度及单位长度内平均骨小梁数量少于对照组(P < 0.05)，骨表面积比与骨小梁分离度大于对照组(P < 0.05)，两组骨小梁各向异性比较差异无显著性意义(P > 0.05)；③结果表明，预紧力可促进多孔钛合金人工假体的骨整合，但长入骨组织的结构特征与健康骨相比仍然较差，在术后中远期可能具有较高的骨折风险。

https://orcid.org/0000-0002-5905-9061 (李晨杰)

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: 骨, 材料, 假体, 骨整合, 骨小梁, 骨缺损, 三维重建, 3D

Abstract: BACKGROUND: The implantation of titanium alloy prosthesis would produce stress shielding to damage mechanical microenvironment of bone tissue. This might affect normal bone remodeling process. Interference fit was used to generate preload to reconstruct mechanical microenvironment in this area. It may have important theoretical significance and clinical application value to promote bone remodeling in the mid-long-term after surgery.
OBJECTIVE: To analyze the promoting effect of preload on osseointegration of porous titanium alloy prosthesis.
METHODS: Fourteen male New Zealand rabbits were divided into two groups. The three-dimensional (3D) printed titanium alloy prosthesis was implanted into the outside of right femoral condyle with interference fit in experimental group (n=7). Rabbits in the control group (n=7) were feed free. Femurs at the surgery side were extracted at 12 weeks after surgery. Micro-CT scanning and 3D reconstruction were performed to measure bone density and trabecular morphological parameters around the prosthesis. Animal experiment was approved by Animal Ethics Committee of Tianjin Institute of Medical Science (approval No. IMPS-EAEP-Z-2019108-01).
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Bone mineral density was reduced significantly in the experimental group compared with the control group (P < 0.05). (2) Bone volume fraction, trabecular thickness, trabecular number were reduced in the experimental group compared with the control group (P < 0.05). Bone surface area ratio and trabecular separation were larger in the experimental group than those in the control group (P < 0.05). There was no significant change in degree of anisotropy between the two groups (P > 0.05). (3) The results showed that preload could promote osseointegration of porous titanium alloy prosthesis. However, the structural characteristics of the in-growth bone were worse than healthy bone. This might lead to a high fracture risk in the mid-long-term after surgery.

Key words: bone, material, prosthesis, osseointegration, trabecula, bone defect, three-dimensional reconstruction, 3D

中图分类号:

李晨杰, 吕林蔚, 宋阳, 刘静娜, 张春秋. 预紧力作用下钛合金人工假体界面骨小梁形态参数测量与统计分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 516-520.

Li Chenjie, Lü Linwei, Song Yang, Liu Jingna, Zhang Chunqiu. Measurement and statistical analysis of trabecular morphological parameters of titanium alloy peri-prosthesis under preload[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(4): 516-520.

图/表（结果） 4

参考文献

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引言

松质骨显微结构对外部力学载荷的功能适应性在19世纪就得到了充分验证[1]。外部载荷的作用一方面会影响到骨密度的变化[2]，另一方面会影响到骨小梁三维结构特征的变化[3]。目前人工假体被广泛用于治疗骨关节疾病，而金属人工假体的植入会改变区域内的力学微环境，产生应力集中或者应力遮挡等力学问题。过高或者过低的载荷环境都会干扰正常的骨重建作用，造成骨吸收、骨溶解疾病[4]。因此，通过骨小梁形态结构特征的变化趋势评价力学微环境对骨整合的促进作用，对于制定对抗术后长期假体松动的解决方案具有重要意义。
骨密度是衡量骨承载能力的重要指标之一[5]。骨重建作用使载荷较高区域的骨密度增加，载荷较低区域的骨密度下降，因此骨密度可以直接表现出该区域骨的力学性能。另一方面，松质骨中骨小梁显微结构特征也是影响骨强度的另外一个重要因素。骨小梁的显微结构大体上可分为板状结构和杆状结构，其中板状结构与杆状结构骨小梁的分布与比例会直接影响到骨组织的表观弹性模量与屈服强度[6]。WANG等[7]对平均年龄71岁志愿者的尸骨胫骨近端、股骨颈近端及大转子进行micro-CT扫描，之后对各个样本进行力学加载测试，结果显示：骨小梁形态结构参数与其对应位置的弹性模量与屈服强度具有显著的线性相关性。HUMLE等[8]取腰椎进行了micro-CT扫描、三维重建及显微有限元分析，结果显示：骨小梁是一种各向异性材料，在主要承重区域骨小梁的分离度较低，板状骨小梁较多，骨小梁连接性较好；骨体积分数与屈服强度具有显著的线性相关性。LIAO等[9]对人工假体植入前后的骨小梁形态参数进行对比，结果显示：骨小梁会改变自身结构来适应界面的接触应力，达到缓冲人工假体与骨质的冲击作用。由此可见，分析骨小梁的显微结构特征对于衡量骨的强度预测骨折风险具有重要意义。
人工假体普遍采用过盈配合的方式植入，使假体与缺损区域骨质稳定、紧密地连接在一起。在假体表面与缺损区域骨质表面产生一定的挤压力又称预紧力，可建立起界面的力学微环境，促进界面骨整合过程[10]。目前普遍认为超过生理载荷的微过载会有效缓解日常运动周期载荷导致的假体松动，可有效促进界面的骨长入[11]。PARDAL- PELAEZ等[12]总结了预紧力丢失的相关文献，结果显示在周期载荷加载后，预紧力平均损失了16.1%-39%。JEMT等[13]观察施加不同程度预紧力种植体在术后3周的骨整合现象，结果显示无预紧力的种植体其骨与金属接触面积最小。随着植入扭矩的升高，骨整合面积也随之升高。但是过高或者过低的预紧力均会导致骨整合面积的下降，骨整合最好的植入扭矩为1 526 Ncm。根据以上研究结论可以推断出，预紧力在术后初-中期促进骨整合方面具有突出的贡献作用。
同样能够提供术后初期较好骨整合效果的方法还有金属假体三维结构修改及表面化学性质改性。例如金属表面通过3D打印技术制造出多孔的骨小梁形态结构，促进成骨细胞的附着与增殖[14-15]，金属假体表面喷涂羟基磷灰石等生物相容性材料诱导成骨细胞的增殖与分化[16]。然后在术后中期至远期，假体区域的力学微环境是保证持续骨重建作用的基础，假体的应力遮挡必然会干扰范围内骨组织的正常骨重建作用。目前使用预紧力对口腔种植体的骨整合作用分析较为丰富，然而关于预紧力促进多孔人工假体术后中远期骨整合的效果却鲜有报道。
设计动物实验，在新西兰大白兔的股骨髁外侧采用过盈配合的方式植入1颗3D打印多孔钛合金人工假体，分析预紧力对界面骨小梁三维形态特征的影响，进而分析骨组织内部力学微环境对宏观骨强度的影响作用。
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 设计骨组织水平，对比观察动物实验。
1.2 时间及地点实验于2019年3至11月在天津市骨科研究所、天津三英精密仪器股份有限公司与天津理工大学生物力学实验室完成。
1.3 材料 3D打印Ti6Al4V钛合金多孔人工假体，尺寸为直径2 mm、高5 mm的多孔圆柱体，丝径0.32 mm，孔径 0.65 mm，孔隙率为70%，单元格尺寸2 mm×2 mm×2 mm，由天津嘉思特医疗技术有限公司提供，如图1所示。

1.3.1 实验动物 14只3月龄雄性新西兰大白兔，平均体质量为2.5 kg，购于天津市骨科研究所，许可证编号为：SCXK(京)2016-007。饲养过程按照天津市骨科研究所操作规程进行。将兔随机分为实验组与对照组，每组7只。动物实验方案已获天津市医药科学研究所动物伦理委员会批准，批准文号：IMPS-EAEP-Z-2019108-01。
1.3.2 实验用主要试剂与设备手工电钻(220 V，50 Hz空载24 000-35 000 r/min，希尔达)；PCB钨钢合金钻头(柄径 3.175 mm、刃径2.0 mm、刃长12 mm，沪豪雕刻刀具)；100 mL水合氯醛溶液(普惠分)；恩诺沙星注射液(红宝兽医)；Micro-CT机(天津三英精密仪器股份有限公司)。
1.4 实验方法对照组自由饲养。
实验组植入预紧力的确定：拟通过过盈配合方式在骨缺损位置于多孔人工假体界面上产生预紧力，促进界面骨整合。预紧力的计算方式为选择大白兔股骨髁进行体外人工假体植入实验，经过多次力学试验机的压入加载及有限元分析模拟压入过程计算得出，在过盈量为0.02 mm的情况下骨质与人工假体界面的应变为3 000 µƐ左右。
实验组干预：选取10%水合氯醛对兔进行麻醉，剂量按3.5 mL/kg进行腹腔注射，注射完毕后等待三四分钟直到大白兔无法运动即麻醉成功。将右腿膝关节区域股骨髁外侧部位剃毛裸露出皮肤，将大白兔四肢展开固定于手术台上，对裸露的表皮进行消毒，在膝关节皮下再次注射0.02 g/mL的盐酸利多卡因1.0-2.0 mL进行局部麻醉。使用手术刀取膝关节外侧切口4.0-5.0 cm暴露出股骨髁，将钻孔位置选定在大白兔右侧股骨髁外侧的骨间隆起中心，使用事先碘伏消毒过的钻头进行钻孔，孔直径1.98 mm，孔深5 mm。手术过程如图2所示。使用无菌钳取出碘伏消毒过的3D打印钛合金多孔人工假体，将其压入孔洞中。植入位置如图2D所示。缝合切口并使用碘伏消毒。在手术过程中如果兔子有反应，继续喷射少量盐酸利多卡因进行局部麻醉。大白兔苏醒后按照剂量为0.2 mL/kg对术侧腿部肌肉注射恩诺沙星注射液，连续注射3 d。术后自由饲养12周后处死全部实验对象，取右腿股骨-40 ℃冷冻。

1.5 主要观察指标对大白兔股骨髁区域进行micro-CT扫描，扫描范围为股骨髁最底端往上约3 cm的区域，扫描参数为像素尺寸0.085 2 mm、ROI(region of interest)区域为308×308像素、电压80 kV、电流500 μA、层厚0.017 mm，共获取CT影像1 000张左右。另外使用相同的扫描参数扫描密度校准体模，用于标定骨密度。
将micro-CT影像导入VG Studio Max软件中进行三维重建，计算出人工假体周围区域骨小梁三维形态参数，包括：骨体积分数(兴趣区域内骨体积与组织体积的比值)、骨表面积比(兴趣区域内骨的表面积与组织体积的比值)、平均骨小梁厚度、单位长度内平均骨小梁数量、骨小梁分离度(每两根骨小梁之间的平均距离)。
1.6 统计学分析将两组骨小梁形态参数数据导入到统计学软件SPSS 16.0中进行独立样本t 检验，分析两组骨小梁的结构特征是否存在显著差异。

讨论

3D打印多孔钛合金人工假体可有效解决骨缺损问题。多孔结构能够促进成骨细胞的附着，术后长期可以达到骨组织与人工假体融为一体的效果。从新西兰大白兔股骨髁植入3D打印多孔钛合金假体的实验可以看出，在骨缺损区域植入多孔钛合金人工假体12周后，假体周围产生了大量新长入的骨组织，骨整合效果非常好，大白兔的运动状态也正常。产生这种现象的原因：一方面可能是3D打印多孔钛合金人工假体使用预紧力方式植入，对界面松质骨产生了轻度过载，达到促进成骨细胞骨重建作用；另一方面可能是因为骨缺损模型带来局部的创伤，在此区域生长因子不断释放及钙离子释放导致的骨愈合[17-18]。然而，新长入的骨组织的力学性能是否与健康骨组织一致，这是此次实验的分析重点。
骨密度是目前临床衡量骨力学性能主要的非创伤性检测手段。在对试样进行micro-CT扫描的同时也扫描了羟基磷灰石校准体模。根据固定密度校准体模拟合公式可以计算出健康大白兔股骨髁的平均骨密度为(0.98±0.09)g/cm3，而植入钛合金人工假体的大白兔股骨髁的平均骨密度为(0.80±0.02)g/cm3，低于健康平均值18.37%。由此可见，在植入12周时人工假体周围虽然长入了骨组织，但其强度较差，在术后远期可能有二次骨折的风险。术后12周以后的骨密度变化情况仍需进一步观察。
YAMASAKI等[19]使用羟基磷灰石涂层的人工假体在大白兔股骨髁上进行了同样的骨整合实验，从骨密度的变化趋势可以看出，在骨整合3-5周时间内骨密度呈显著上升趋势，术后第5周的骨密度数值为800 mg/cm3左右，与此次实验结果相吻合；但是从第5周开始骨密度就表现出下降的趋势，第12周相比第5周有5%-10%的下降幅度。此次实验结果显示术后12周仍然处于800 mg/cm3。由此可见，在术后12周时预紧力对保持长入骨组织骨密度的效果要优于羟基磷灰石涂层假体。YAMASAKI等[19]的实验结果显示术后24-48周存在明显的骨密度降低问题，降低到400 mg/cm3左右。纳米羟基磷灰石支架具有很好的生物相容性，可以显著提高骨整合效果。实验中的钛合金支架并未喷涂羟基磷灰石涂层，但在植入过程中使用了预紧力，其作用效果与羟基磷灰石效果相当。ZHANG等[20]经过实验发现骨整合第12周骨密度达到了最高点。CHALISSERRY等[21]使用纳米羟基磷灰石涂层人工假体修复大白兔股骨髁部位的缺损，经过8周的愈合之后，假体区域骨密度为(800±10)mg/cm3，这同样与此次实验结果相吻合。由此可以推断，术后12周可能是生物相容性材料诱导成骨作用的一个拐点。12周之后生物材料的作用将逐渐减弱，处于支架应力遮挡范围内的骨小梁骨重建进程会减慢，在术后远期可能有二次骨折的风险。在术后前期，经过表面改性等做法已经成功诱导了成骨作用，但是在术后中远期，保证骨重建作用还需要保证力学微环境。
植入人工假体的骨组织除了骨密度低于健康水平外，其骨小梁的显微形态结构也同样较健康状态有所退化。从骨小梁显微形态参数均值的统计结果中可看出，人工假体周围的骨小梁形态结构相比健康状态表现出退化的趋势。对两组数据进行独立样本t检验的结果也同样显示出显著差异(P < 0.05)，该趋势具体体现为：实验组骨量的减少、骨小梁变薄变稀疏、骨小梁数量减小，但是骨小梁的各向异性特性没有发生显著变化。YAMASAKI等[19]的实验结果显示，假体区域骨小梁的骨体积分数在3周左右达到最大值，约为0.3，高于此该文实验组的数据，而在术后12周时下降到11%左右。这说明术后初期成骨作用受假体材料化学属性影响较大，但是术后中远期力学环境还是成骨作用的主要因素之一。LIANG等[22]制造了多孔钛合金假体并进行了体外细胞黏附实验，结果显示骨表面积比平均值为13.23，略低于此次实验的11.61。这说明此次实验的骨小梁结构相比无载荷实验结果更密实，孔洞体积更小。
预紧力的作用在此次实验中起到促进界面骨长入的作用。合适的预紧力可以促进界面骨整合进程，不匹配的预紧力会加速界面的骨吸收[13]。从实验结果对比来看，使用无涂层人工假体施加预紧力促进骨整合与假体表面化学改性促进骨整合的效果是相同的。然而在术后中远期随着周期性运动的增加，预紧力是否会减弱或者丢失仍然需要进一步的讨论[23]。
实验存在一些不足之处：首先，选用的实验动物模型为新西兰大白兔，其后腿长期处于蹲坐姿态，股骨髁在形态结构与受力状态上与人类站立行走相比存在一定的差异，后期如果采用中大型实验动物(例如小型猪、羊)作为实验动物，将有利于得到更有价值的成果，对人类骨骼的研究具有更高的参考价值；另外，实验缺少阳性对照组骨缺损后自行愈合过程的描述。骨缺损位置虽不能实现完全自行愈合，但是在缺损界面仍会有骨重建作用。在后续的实验中，骨缺损自行愈合与假体植入促进缺损愈合的对比实验将会开展，定量阐明3D打印多孔钛合金人工假体加速诱导骨长入的作用机制。
从以上实验成果及与文献的对比可以得出如下结论：术后初期，合适的预紧力促进假体骨长入的作用与未使用预紧力植入的生物相容性材料诱导骨长入的效果同样显著，骨整合作用非常明显。术后中远期预紧力可以持续提供合理的力学微环境，促进骨重建作用。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

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