計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助構(gòu)建復(fù)雜形狀軟骨的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、耳鼻咽喉－頭頸外科疾病中存在著較多的患者因軟骨組織缺損而嚴(yán)重影響功能和外觀美容。傳統(tǒng)治療方法是以自體軟骨、異體軟骨或人工材料進(jìn)行修復(fù)，但現(xiàn)在方法因有供體來源有限、異物反應(yīng)和感染等問題而使其應(yīng)用受到一定限制，尋找一種理想的修復(fù)重建方法成為眾多研究者探討的熱點(diǎn)問題。新興的組織工程技術(shù)以生物學(xué)及工程學(xué)方法合成具有功能的損失組織替代物，有望解決上述難題。但目前組織工程技術(shù)存在著復(fù)雜形狀組織或器官塑形困難，無法準(zhǔn)確根據(jù)個(gè)體特有的解剖結(jié)構(gòu)來制作支架

2、的缺點(diǎn)。由于頭頸部軟骨組織形態(tài)比較復(fù)雜，不同個(gè)體形態(tài)差別較大，使得這一矛盾在頭頸部軟骨組織工程中表現(xiàn)得更加突出。因而，探索一種新的組織工程技術(shù)解決上述問題顯得十分必要。本實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助構(gòu)建與頭頸部缺損組織形態(tài)結(jié)構(gòu)一致的模具，以不同的生物材料為支架，采用不同的模具成形方法構(gòu)建復(fù)雜形狀軟骨前體，并行氣管前壁缺損修復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究，為頭頸部軟骨組織缺損的修復(fù)及重建提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 研究目的 1.研究藻酸鈉凝膠的力學(xué)特性

3、及生物相容性，確定固化劑氯化鈣溶液的最佳濃度。 2.探討由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助用快速成形機(jī)構(gòu)建甲狀軟骨陰模及藻酸鈣凝膠體外按陰模塑型的可行性。 3.探討由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助構(gòu)建β-TCP 材料的氣管軟骨環(huán)行氣管前壁缺損修復(fù)的可行性。 材料與方法 1、藻酸鈣凝膠力學(xué)特性及生物相容性的實(shí)驗(yàn)研究 將制備好的1.5％(w／v)藻酸鈉凝膠分別與濃度為100mmol/L、200mmol/L、300mmol/L、400m

4、mol/L、500mmol/L的氯化鈣溶液混合制成高25mm,直徑13mm的柱狀藻酸鈣凝膠，用材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其最大可承受載荷，根據(jù)測(cè)定值繪制曲線圖。取第三代兔關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞與此濃度藻酸鈉凝膠混合置入圓柱形模具中，然后將其分別浸入100 mmol/L、200 mmol/L、300 mmol/L、400mmol/L、500 mmol/L的CaCl2溶液中，使其交聯(lián)形成圓柱狀，去除模具，在DMEM完全培養(yǎng)液中培養(yǎng)，分別于1周、2周、4周、6周取

5、出培養(yǎng)物，行大體及組織學(xué)觀察。取人鼻中隔軟骨細(xì)胞原代與濃度為300 mmol/L藻酸鈣凝膠體外培養(yǎng)8周后，行大體及組織學(xué)觀察。 2、計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助構(gòu)建甲狀軟骨的實(shí)驗(yàn)研究 選取甲狀軟骨骨化好的病人的連續(xù)薄層CT掃描圖像。采用上海交通大學(xué)自行編制的醫(yī)學(xué)斷層處理軟件使甲狀軟骨的CT掃描數(shù)據(jù)形成甲狀軟骨的三維數(shù)據(jù)模型，最后以STL文件格式輸出。以STL文件格式把三維數(shù)據(jù)模型輸入快速成形機(jī)，采用立體平板印刷技術(shù)（Stereolit

6、hography SL技術(shù)）制作出甲狀軟骨的陰模。用上述實(shí)驗(yàn)得出的最佳濃度（即300 mmol/L）的藻酸鈣凝膠復(fù)合軟骨細(xì)胞，在制作好的甲狀軟骨陰模內(nèi)塑型后植入動(dòng)物體內(nèi)培養(yǎng)，8周后取材行大體及組織學(xué)觀察。 3、計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助構(gòu)建氣管軟骨環(huán)并行氣管前壁缺損修復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究 計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)建氣管軟骨環(huán)陰模的方法與構(gòu)建甲狀軟骨陰模的方法相同。采用凝膠注模成型技術(shù)制造出β-TCP 材料的氣管軟骨環(huán)。取成年狗6 只，行氣管前壁3 至5

7、 環(huán)全層缺損造模（缺損2cm×5cm）。實(shí)驗(yàn)組3 只用頸前帶狀肌封閉缺損處，其上懸吊2 個(gè)β-TCP 人工氣管軟骨環(huán)；對(duì)照組3 只僅用頸前帶狀肌封閉缺損處。術(shù)后密切觀察所有動(dòng)物的呼吸、進(jìn)食及頸部活動(dòng)情況，對(duì)存活至8 周的實(shí)驗(yàn)組動(dòng)物行纖維喉鏡檢查、頸部CT 檢查、大體觀察及常規(guī)組織學(xué)檢查；對(duì)存活至8 周的對(duì)照組動(dòng)物行纖維喉鏡檢查、大體觀察。 結(jié)果 1、藻酸鈣凝膠力學(xué)特性及生物相容性的實(shí)驗(yàn)研究 藻酸鈣凝膠抗壓強(qiáng)度隨氯

8、化鈣濃度的增加而逐漸增加。浸入100mmol/L、200mmol/L、300mmol/LCaCl2 溶液中的圓柱形細(xì)胞與藻酸鈉凝膠復(fù)合體在1周、2 周、4 周、6 周時(shí)形態(tài)保持較好，在6 周時(shí)出現(xiàn)類軟骨樣改變。兔關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞與其復(fù)合良好，并能在其中保持活性及分裂能力；浸入400mmol/L、500mmol/LCaCl2 溶液中的圓柱形細(xì)胞與藻酸鈉凝膠復(fù)合體在1 周時(shí)已有部分已裂開，切片HE 染色已見不到完整的軟骨細(xì)胞。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果C

9、aCl2溶液濃度300mmol/L 以下細(xì)胞在其中生長均良好，300mmol/L 的藻酸鈣凝膠抗壓強(qiáng)度大于100mmol/L、200mmol/L 的，故得出300mmol/L CaCl2 濃度為此實(shí)驗(yàn)所需的最佳濃度。取人鼻中隔軟骨細(xì)胞與此最佳濃度的藻酸鈣凝膠混合培養(yǎng)8 周，鼻中隔軟骨細(xì)胞在其中分裂增殖能力活躍。 2、計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助構(gòu)建甲狀軟骨的實(shí)驗(yàn)研究 由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助用快速成形機(jī)制作出樹脂的甲狀軟骨陰模，用最佳濃度30

10、0mmol/L的藻酸鈣凝膠復(fù)合軟骨細(xì)胞，在制作好的甲狀軟骨陰模內(nèi)塑型后植入動(dòng)物體內(nèi)培養(yǎng)8周后取出植入物，與植入時(shí)相比形態(tài)已不完整。常規(guī)組織切片可見軟骨陷窩，藻酸鈉支架材料已基本消失。 3、計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助構(gòu)建氣管軟骨環(huán)并行氣管前壁缺損修復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)組動(dòng)物存活良好，無明顯呼吸困難，頸部活動(dòng)自如，進(jìn)食無嘔吐，8 周后CT 檢查未見支架材料的明顯移位。纖維喉鏡檢查可見修復(fù)部位管腔未見明顯狹窄，鏡體可以順利通過；處死后見支架

11、材料與氣管周圍組織融為一體，管腔內(nèi)有少許肉芽組織；HE 切片顯示：支架材料與周圍組織已融為一體，可見到已有組織長入支架材料的孔隙中。1 只對(duì)照組因皮下氣腫而于手術(shù)后當(dāng)晚死亡，解剖后可見頸前帶狀肌修復(fù)部分的氣管前壁塌陷，堵塞管腔；其余2 只于術(shù)后1 周出現(xiàn)氣喘，術(shù)后2 周出現(xiàn)進(jìn)食嘔吐，且隨時(shí)間逐漸加重；8 周后行纖維喉鏡檢查見：去除氣管環(huán)部分已塌陷，呼吸時(shí)塌陷部分幾乎堵塞整個(gè)管腔，有明顯反常呼吸運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)；處死后見管腔已狹窄。 結(jié)論

12、 1. 隨著氯化鈣濃度的增加藻酸鈣凝膠的抗壓強(qiáng)度亦增加；但軟骨細(xì)胞呈現(xiàn)生長不良情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：300 mmol/L 的氯化鈣濃度為最佳結(jié)合點(diǎn)。在氯化鈣濃度適當(dāng)?shù)臈l件下，兔關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞及人鼻中隔軟骨在藻酸鈉溶膠中均生長良，可見藻酸鈉是很好的細(xì)胞外基質(zhì)材料。但在和軟骨細(xì)胞體外共培養(yǎng)中容易變形，與培養(yǎng)中酸性物質(zhì)的作用及缺少流體動(dòng)力刺激有關(guān)，故需改進(jìn)體外培養(yǎng)的裝置，如改用生物反應(yīng)器。 2. 由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助用快速成形機(jī)能準(zhǔn)確

13、制作出甲狀軟骨陰模。可見由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助能夠按缺損軟骨的形態(tài)準(zhǔn)確構(gòu)型，為不同形態(tài)軟骨缺損提供更好的修復(fù)。但是由于藻酸鈉成溶膠狀，加之氯化鈣固化的時(shí)間難以很好把握，故體外準(zhǔn)確塑型有一定困難，故對(duì)在體外塑復(fù)雜形狀，藻酸鈉溶膠不是合適的材料，下一步需改進(jìn)體外塑型的支架材料。 3. 用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助構(gòu)建β-TCP 氣管軟骨環(huán)并行狗氣管前壁缺損修復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可知：β-TCP 材料能按模具準(zhǔn)確塑型，是合適的體外塑型材料。 通過對(duì)