体内预紧力作用下3D打印钛合金多孔植入物界面骨整合机理的研究

The main reason for the loosening and aseptic inflammation of the bone around the femoral stem after Total Hip Arthroplasty (THA) was the stress-blocking effect of the femoral stem and the inappropriate contact stress between the bone and the implant interface. At present, the mechanical mechanism influence of interficial mechanical environment on the osseointegration remains unclear. The mechanical stimulus was performed to withstand bone loss, accelerate bone remodeling to promote interfacial osseointegration. This could effectively improve the surgery quality and reduce the pain for the patients. The combination of experiment and numerical simulation was performed to study the influence factors of promoting bone - implant interface osseointegration. The project plans to implant the 3D-printed titanium alloy porous structure into the sheep femur, and exert the load onto the interface using self-designed preloading device to promote osteoblasts producing bone integration. The interfacial osseointegration effect was studied through the strength test, nanoindentation, Raman spectroscopy and so on. The effect of osseointegration time and preload strength on the bone mineralization of the original bone, interface bone and ingrowing bone were studied. The osseointegrated bone tissue mechanical properties and the bone fixation of the implant were analyzed. This project would study the structural features and mechanical properties of the interface integrated bone tissue, which would help to solve the bone loss problem after THA. This is of great significance to improve the long-term outcome of clinical postoperation.

全髋关节置换后股骨柄周围骨质出现松动与无菌炎症的主要原因是股骨柄的应力遮挡效应与骨质-植入物界面不合适的接触应力。目前，界面力学环境对骨整合效果影响的力学机理仍不明确。使用力学激励对抗骨丢失、加速骨重建来促进界面骨整合，可以有效地提高术后疗效减轻病人的痛苦。项目采用实验与数值模拟相结合的方法研究促进骨质-植入物界面骨整合的影响因素。项目拟将3D打印钛合金多孔植入物种植到绵羊股骨中并使用自行设计的预紧力加载装置对界面施加载荷促进成骨细胞产生骨整合作用。采用强度测试、纳米压痕、拉曼光谱分析等多种实验方法，研究界面的骨整合效果，探讨骨整合时间和预紧力大小对界面区域内原始骨、界面骨、长入骨的骨成熟度的影响作用，分析整合后骨组织的力学性能和骨质对植入物的固定作用。本项目对界面整合骨组织的结构特征和力学性能进行多尺度研究，有助于解决全髋置换后的骨丢失问题，对提高临床术后中远期疗效具有积极意义。

本项目通过自行设计试制3D打印多孔钛合金支架进行离体力学实验与形态观测发现，经3D打印的钛合金试件，其应力-应变曲线存在明显的屈服和颈缩现象，属于塑性材料，力学性质主要包括低弹性模量高强度10GPa/980MPa(锻造钛合金110GPa/1000MPa）。3D打印钛合金多孔结构的弹性模量降低96%-93%，强度降低96%-91%。这种晶体结构的骨小梁的力学性能更接近人体骨，可减少应力屏蔽，增强种植体与骨的结合强度。将自行设计的支架施加在体预紧力植入到新西兰大白兔股骨中观测预紧力对骨整合作用的促进作用。结果显示预紧力对骨整合的促进是积极的，但是，支架的应力屏蔽也需要引起注意。在我们之前的研究中，我们3D打印的多孔钛支架的强度约为600 MPa，但仍显着高于周围的小梁，从而引起骨吸收和溶骨。光谱显示，胶原的峰从对照组的1657cm-1转移到手术组的1639cm-1。结论：支架内的胶原蛋白可能为非交联结构，对照组的胶原蛋白主要为交联结构。我们找不到手术组的PO4峰（1040cm-1-937cm-1）。然而，在对照组中发现了一个明显的PO4峰。这也表明在第12周长入骨的矿化作用很差。因此，术后长期骨整合的改善必须进行额外的康复训练。外部负载可以从向内生长的骨组织转移到支架内部，以刺激支架内部的骨重塑过程，以实现完美的骨整合。通过对长入骨组织进行扫描电镜观测，发现骨长入很好，填满了支架内部的孔洞，但是同时在界面区域也产生了大量的结缔组织，这对于术后远期的骨整合是相当不利的，至于产生结缔组织的原因仍然需要进一步研究。根据宏观人工假体的骨重建仿真可以看出结果表明：假体植入后，股骨近端应力遮挡现象明显，骨密度显著下降；股骨干中段区域应力降低，皮质骨变薄；感兴趣4区应力分布不均，假体柄底端内侧出现应力集中，此处皮质骨明显厚于外侧。分析应力及密度变化可以发现，当应力改变时，骨量会随之改变。应力减小的部位，骨密度会降低，产生应力遮挡效应，会致使该处骨量丢失，而应力集中的发生，则导致其骨质变厚。显然，假体植入的力学性能变化满足Wolff定律，骨组织会根据力学环境的改变，发生适应性重建，引起骨量的变化。根据上述有限元分析的结果，可以对假体进行优化。从以上实验可以推断出，预紧力对促进术后短期骨整合具有非常重要的意义，但是术后远期的骨重建过程还需要精准的术后康复训练。