3D打印骨科內植物在兔膝關節(jié)損傷修復中的實驗研究.pdf

1、背景:膝關節(jié)在運動或高速撞擊中易受到損傷，尤其以韌帶損傷、軟骨損傷及關節(jié)周圍骨折最為常見。若不開展有效治療，嚴重者將導致膝關節(jié)關節(jié)炎、骨折畸形愈合及不愈合等并發(fā)癥。膝關節(jié)損傷的手術修復治療中，相關骨科內植物的應用對修復的效果至關重要。以前交叉韌帶(Anterior cruciate ligament，ACL)撕裂為例，在重建ACL過程中，需采用界面螺釘植入骨隧道內對移植物進行固定，以保證移植物的穩(wěn)定性，促進腱骨愈合，重塑ACL功能。術中

2、常用的界面螺釘材料多為生物可吸收性高分子聚合物如聚乳酸(Polylactic acid, PLA)或聯(lián)合無機材料如羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)等。相關臨床研究發(fā)現(xiàn)部分病例中PLA螺釘術后在骨隧道內完全降解需要7至10年的時間。較低的降解速率使界面螺釘在骨隧道內占位，影響隧道內新生骨形成從而阻礙了腱骨愈合效果。而對于膝關節(jié)周圍骨折尤其是股骨遠端粉碎性骨折及脛骨平臺骨折，多需要植入骨移植物進行修復以進行骨缺損治療，防治骨

3、折畸形愈合或者骨不連。然而自體骨或異體骨移植以及人工合成的骨移植物因其各自并發(fā)癥限制其在臨床上廣泛應用?？梢娤リP節(jié)損傷修復的內植物仍存在諸多缺陷，亟待改進。
　　近年來，三維打?。╰hree-dimensional printing，3D printing）技術在醫(yī)療領域蓬勃發(fā)展，主要是取決于其個性化定制、可操作性、可實現(xiàn)多種材料制造等諸多優(yōu)點。在外科手術中，3D打印技術目前主要以模型術前規(guī)劃，導板術中定位，假體術中植入的應用最為

4、廣泛。因此針對上述膝關節(jié)損傷修復中如ACL重建界面螺釘及膝關節(jié)周圍骨折骨移植物的不足，本課題組希望通過能借助3D打印技術，尤其是最近廣泛普及的桌面3D打印機，利用其成本低，易操作，應用材料廣泛的特點來對以上兩種損傷修復的內植物進行改進，使其表現(xiàn)出更好的修復性能。在運用臨床上常規(guī)材料PLA及HA根據(jù)ACL重建模型制造多孔的界面螺釘支架聯(lián)合負載骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs

5、)用于ACL重建修復的同時著眼于新型打印材料用于打印骨移植物支架的強度改進，使其可用于關節(jié)周圍骨折缺損填充修復，主要內容圍繞下述幾個方面展開:
　　1、3D打印PLA界面螺釘支架制造及體外生物學特性;
　　2、PLA/HA界面螺釘支架復合BMSCs重建兔ACL;
　　3、高強度3D打印摻鎂硅酸鈣支架的制備及理化特性;
　　4、高強度3D打印摻鎂硅酸鈣支架修復兔膝關節(jié)周圍骨缺損。
　　第一部分、3D打印PLA

6、界面螺釘支架制造及體外生物學特性
　　目的：通過3D打印機設計制備PLA界面螺釘支架，HA對其進行表面修飾，并檢測螺釘支架負載細胞的生物學性能。
　　方法：依據(jù)新西蘭大白兔前交叉韌帶重建模型設計PLA界面螺釘支架并通過3D打印機進行制造。利用化學共沉淀方法合成HA粉體，X射線衍射(XRD)鑒定材料成分。通過層層靜電組裝法對PLA界面螺釘支架進行表面修飾制得PLA/HA螺釘支架，運用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察修飾前后支架的表

7、面形態(tài)，通過排水法測定螺釘支架的孔隙率。將兔BMSCs分別與PLA，PLA/HA螺釘支架共培養(yǎng)(PLA組，PLA/HA組)，同時用Pluronic F-127凝膠負載BMSCs后與PLA-HA支架共培養(yǎng)(PLA/HLA+PluronicF-127組)。通過SEM觀察三組細胞形態(tài)，細胞計數(shù)試劑盒-8(CCK-8)測定三組細胞增殖情況，PCR檢測三組成骨指標的表達情況。
　　結果：通過3D打印機制備PLA界面螺釘支架符合設計要求，支架

8、內空道均勻分布，相互連通的，孔徑約為290±16μm，孔隙率為42±5％。合成HA晶體的直徑約200nm。經(jīng)表面修飾后HA在PLA/HA螺釘支架中均勻分布。相較于PLA組和PLA/HA組，PLA/HA+PluronicF-127組表現(xiàn)出良好的細胞形態(tài)，最高的增殖性能及最佳的成骨分化性能。
　　結論：通過3D打印及表面修飾成功制備PLA/HA界面螺釘支架。利用Pluronic F-127凝膠負載細胞構建PLA/HA螺釘支架BMSCs

9、復合體，生物活性良好。為在ACL重建中，利用PLA/HA螺釘支架BMSCs復合體進行ACL修復提供了可能。
　　第二部分、PLA/HA界面螺釘支架復合BMSCs重建兔ACL
　　目的：將Pluronic F-127凝膠負載BMSCs種植于PLA/HA螺釘支架上，觀察其用于兔ACL重建自體肌腱移固定后骨隧道骨量變化及腱骨界面愈合情況。
　　方法：將36只新西蘭雄性大白兔隨機平均分為三組，利用自體肌腱進行雙側ACL重建，股

10、骨側隧道中置入螺釘支架固定肌腱:PLA組，以單純PLA螺釕支架進行固定;PLA/HA組，以單純PLA/HA螺釘支架進行固定;BMSCs組，PluronicF-127凝膠負載BMSCs種植于PLA/HA螺釘支架后進行固定。術后4周，12周分別行MRI掃描，觀察骨隧道內螺釘支架的情況;行Micro-CT掃描，分別測量各組股骨骨隧道的成骨情況;硬組織切片進行組織學檢測，觀察各組股骨骨隧道內腱骨愈合情況。
　　結果：MRI顯示各組螺釘支架

11、沿軸向位于股骨隧道中，無斷釘及其他并發(fā)癥出現(xiàn)。術后4周、12周，BMSCs組股骨隧道內感興趣區(qū)骨形成指標(BV/TV，Tb.N，Tb.Th，Tb.Sp)均高于PLA及PLA/HA組，新生骨沿螺釘孔道在骨隧道內均勻分布。尤其是在術后12周，BMSCs組新生骨相互連接形成一個類似螺釘支架的三維立體結構。硬組織切片組織學顯示，相較于PLA及PLA/HA組，BMSCs組術后4周腱骨界面內呈現(xiàn)出較多的軟骨樣細胞表現(xiàn)，術后12周腱骨整合良好，有更好

12、的細胞形態(tài)排列及細胞外基質沉積。
　　結論：PLA/HA界面螺釘支架復合BMSCs用于兔ACL重建不僅起到自體肌腱固定作用，同時可對ACL重建進行修復，有效增加骨隧道內新生骨量，形成穩(wěn)定的腱骨愈合界面。
　　第三部分、高強度3D打印摻鎂硅酸鈣支架的制備及理化特性
　　目的：合成摻鎂硅酸鈣粉體(CSi-Mg)，并運用3D打印機制備全新高強度摻鎂硅酸鈣多孔支架，并對該支架的微觀結構，力學性能，體外生物降解性等進行探究。

13、r>　　方法：化學沉淀法制備含鎂摩爾比例為10％的摻鎂硅酸鈣粉(CSi-Mg10)，同時制備純硅酸鈣粉(CSi)及β-磷酸三鈣粉(β-TCP)作為對照。運用XRD檢測材料成分。稱取上述三種材料各5.0g分別與4.0g6％聚乙烯醇溶液均勻混合后制成三種生物陶瓷墨水，進行擠出式3D打印，制得三種支架((Φ)6×6mm)。60℃干燥過夜后1100℃一步燒結3小時。排水法計算支架孔隙率，SEM檢測支架微觀結構。將支架置于模擬體液SBF中，于相應

14、時間點測定三種支架的抗壓強度，彈性模量。將支架置于Tris-Hcl緩沖液中，通過檢測各時間點支架重量的損失及溶液中pH值，Ca，Si，Mg的濃度，評估材料降解過程中周圍環(huán)境的變化。
　　結果：三種生物陶瓷支架孔徑均約為350μm，孔道相互連接，孔隙率均超過50％。CSi-Mg10支架初始抗壓強度顯著(～115MPa)，分別超過CSi的4倍(～26MPa)，TCP的10倍(～11MPa)。18周后，CSi-Mg10支架(～36MPa

15、)相較于另外兩種(＜9MPa)依然保持較高的抗壓強度。此外，相較于CSi過快降解的劣勢，CSi-Mg10支架體外降解速率相對偏慢，隨時間推移逐漸適量釋放出Ca，Si及Mg成骨活性成分。
　　結論：本實驗通過3D打印成功制備全新高強度摻鎂硅酸鈣多孔支架，表現(xiàn)出更佳的體外力學強度變化及生物降解特性，為骨缺損修復尤其是負重區(qū)骨修復材料領域提供了一個新方向。
　　第四部分、高強度3D打印摻鎂硅酸鈣支架修復兔膝關節(jié)周圍骨缺損
　

16、　目的：利用3D打印摻鎂硅酸鈣多孔支架與成骨細胞共培養(yǎng)，探究支架對體外細胞增殖和成骨分化的作用。通過股骨髁缺損模型植入支架進行兔膝關節(jié)周圍骨缺損修復，探究支架的成骨能力，降解特性及體內力學變化。
　　方法：將MC3T3細胞系分別與3D打印β-TCP，CSi和CSi-Mg10多孔支架共培養(yǎng)后使用SEM及細胞骨架染色觀察細胞形態(tài);使用CCK-8檢測細胞增殖性能及PCR評估支架的成骨性能。在兔膝關節(jié)周圍骨缺損修復中，36只大白兔隨機平均

17、分為三組(β-TCP組，CSi組，CSi-Mg10組)，進行雙側股骨髁骨缺損修復。術后6周，12周，18周分別行行Micro-CT掃描，分析支架成骨能力;行硬組織切片進行組織學檢測，熒光雙標計算鈣沉積速度(MAP)，觀察新生骨，支架降解情況;使用能譜掃描(EDS)檢測磷灰石相的轉化過程;于對應時間點測定體內支架的抗壓強度。
　　結果：體外生物學檢測中，CSi-Mg10組相較于CSi組細胞形態(tài)及成骨能力均無顯著性差異(p＞0.05）

18、，均顯著高于β-TCP組(p＜0.05)。在膝關節(jié)周圍骨缺損修復實驗中，CSi-Mg10組新生骨加速生長，在術后18周與CSi組新生骨量無顯著性差異，同時仍保持著與缺損區(qū)骨相符的抗壓強度(10-15 MPa)和彈塑性力學反應。然而，β-TCP組成骨顯著遲緩且β-TCP組與CSi組力學強度較低(＜10MPa)。
　　結論：本實驗成功應用高強度3D打印摻鎂硅酸鈣多孔支架進行兔關節(jié)周圍骨缺損修復，該支架在有效增加新生骨量的同時，依然保持