目的:3D打印骨小梁钛金属髋臼杯表面具有模仿自然骨设计的高孔隙率和机械性能,力学负荷符合正常生理的传导,生物固定可靠。本课题拟通过病例回顾性研究、动物体内研究及应用三维有限元的方法,评价国产3D打印骨小梁钛金属(Trabecular Titanium)髋臼假体在对合并骨质疏松患者进行人工全髋关节置换的短期临床疗效,探讨两种不同孔径3D打印多孔钛合金材料对骨形成的影响及有利于骨缺损修复和新骨长入的最佳孔径,比较装配3D打印多孔骨小梁钛金属髋臼杯与普通钛金属髋臼杯的髋关节骨质疏松的有限元模型的应力分布情况及初始稳定性。为国产3D打印多孔钛合金材料在骨缺损修复重建及人工关节置换的临床应用提供基础实验依据和生物力学理论支持。方法:在病例回顾性研究中,收集2015年8月至2016年8月贵州省人民医院收治的符合纳入标准接受初次人工全髋关节置换术的患者109例(116髋),分别采用3D打印骨小梁钛金属(Trabecular Titanium)髋臼杯与骨小梁钽金属(Trabecular Tantalum)髋臼杯。TTi组55例(58髋),男性24例,女性31例,平均年龄74.16±11.71(55-80)岁.BMI24.35±2.56(21.21-31.18),双能X线吸收测定法(DEXA)T值-3.5±0.6,股骨头坏死30例(54.54%),骨性关节炎15例(27.28%),发育性髋关节发育不良10例(18.18%)。TTa组54例(58髋),男性21例,女性33例,平均年龄68.71±10.24(53-83)岁,BMI 23.15±2.16(20.53-30.35),双能X线吸收测定法(DEXA)T值-3.1±0.3,股骨头坏死33例(61.11%),骨性关节炎13例(24.07%),发育性髋关节发育不良8例(14.82%)。分别于术后6、12和12个月及末次随访时进行随访,通过影像学检查评估髋臼假体的稳定性和髋臼表面与骨界面的骨长入能力。比较两组的手术时间,术中出血量,平均住院日,术前及术后末次随访时髋关节Harris评分及SF-12健康调查量表分值。在动物体内实验研究中,植入骨缺损处的3D打印多孔钛合金材料为直径6mm,高度6mm的圆柱体,共48只6月龄雄性新西兰大白兔,随机抽取分为2组,孔径640um多孔钛合金组(Ti640组)与孔径1200um多孔钛合金组(Ti1200组)各24只。设计左后侧股骨外髁骨缺损(6mm),将内植物嵌压植入缺损区。术后4、8、12周摄正侧位X片。于术后4、8、12周时,分别处死两组实验动物,进行样本取材。检测手段包括:外表大体观察、硬组织切片组织形态学观察、X片、扫描电镜及Micro-CT检查。观察术后4、8、12周三个时间点两组骨缺损部位的大体愈合情况,评估成骨效果。光学显微镜下观察成骨情况及成骨细胞生长、分化、分布情况,采用IPP 6.0显微图象分析软件对骨组织切片进行骨组织形态分析计量。扫描电镜观察钛与骨界面骨组织及纤维组织生长情况。Micro-CT行骨形态计量学分析,分析两组材料与骨界面及周围的成骨情况。在三维有限元分析研究中,利用CT对一名成年骨质疏松症男性的髋关节进行薄层扫描,建立骨质疏松的髋关节有限元模型,在此基础上分别装配已建立好的3D打印多孔骨小梁钛金属髋臼杯与普通钛金属髋臼杯模型,观察3D打印钛金属骨小梁髋臼杯与普通髋臼杯植入术后髋臼及假体的应力及位移变化情况。分析钛金属骨小梁结构对髋臼骨和内衬的峰值应力的影响。通过分析3D打印钛金属骨小梁髋臼杯与普通髋臼杯植入后髋臼假体的微动情况,比较两种髋臼杯的初始稳定性。结果:在病例回顾性研究中,102例(108髋)获得随访并纳入统计,其中TTa cup组50例(52髋),TTicup组52例(56髋)。平均随访时间20.24月(18-23个月),两组患者的手术时间、术中出血量及平均住院日比较均无统计学意义差异。末次随访时,TTa组髋关节Harris评分由术前(44.35±5.44)分提高到(88.8±9.4)分,SF-12健康调查量表分值由术前(33.66±8.53)分改善到(50.47±10.31)分,TTicup组:HHS评分从术前平均(46.44±6.26)分提高至末次随访时(87.6±10.4)分,SF-12量表评分从术前(32.24±9.46)提高至末次随访时(51.76±15.71)。两组的髋关节Harris评分及SF-12健康调查量表分值在同一时间节点均无统计学差异;影像学评估显示术后臼杯稳定,假体骨界面发现有明显的骨长入,无松动及移位,所有患者均未出现假体周围骨溶解及进行性增加的透亮线。在动物体内实验研究中,影像学观察结果提示,两组实验兔于术后4、8、12周时X线观察见材料与骨的交接界处有不同程度的骨膜反应,并可观察到低密度新生骨,未见进行加重的透明带及骨质溶解。大体标本观察结果提示,术后4周时,两组材料表面均有少量新生骨组织,术后8、12周时,Ti640组缺损部位逐渐被新生骨组织覆盖;Ti1200组缺损修复程度不及Ti640组。硬组织切片组织形态学观察结果提示,在术后4、8、12周时,新生骨及骨组织在两组多孔钛与骨界面处逐渐增加,多孔钛孔隙内逐渐出现新生骨小梁,多孔钛合金材料与骨组织连接趋于紧密,骨缺损区域逐渐被新生骨样组织覆盖。骨组织计量学分析结果表明,Ti640组新生骨面积比随时间延长而显著增加,Ti1200组术后8周较4周新生骨面积比增加明显,但12周较8周增长缓慢。各时间点,Ti640组新生骨面积比明显高于Ti1200组(P<0.01)。扫描电镜观察结果提示,随着时间推移,两组材料表面新生骨及成骨细胞数量逐渐增多,新生骨组织逐渐长入材料孔隙内,Ti640组情况优于Ti1200组。Micro-CT扫描观察结果提示,术后4、8、12周Ti640组材料与骨界面的骨性连结逐渐变多,新生骨组织向材料孔隙内长入,逐渐与多孔钛进行骨整合。进行骨组织形态计量学统计,结果与组织学结果相似。三维有限元分析研究结果提示,多孔钛金属骨小梁髋臼杯的髋臼骨,髋臼金属外杯与聚乙烯内衬的峰值应力均较普通钛杯明显减少,其中髋臼骨的峰值应力减少约53.49%,髋臼金属外杯的峰值应力减少约32.24%,聚乙烯内衬的峰值应力减少约28.86%。多孔钛金属骨小梁髋臼杯的最大微动值为63.5um,普通钛杯的最大微动值为87.3um,多孔骨小梁钛杯小于50um微动的面积百分比为85%,25-50um为36%,10-25um为27%,小于10um为22%,普通钛杯小于50um微动的面积百分比为70%,25-50um为31%,10-25um为21%,小于10um为18%。对于骨质疏松的髋臼,多孔骨小梁钛杯的初始稳定性较普通钛杯好。结论:通过对病例的回顾性分析,我们发现在人工全髋关节置换中使用国产3D打印骨小梁钛金属髋臼假体可以获得良好的髋关节功能,增强髋臼假体的稳定性,早期骨长入良好,短期疗效满意,是合并骨质疏松患者进行髋关节置换术的较好选择,但中长期疗效还需通过进一步随访来评价;通过对两种孔径材料进行的动物体内实验,我们发现两种不同孔径的国产3D打印多孔钛材料具有良好生物相容性能。640um孔径的多孔钛合金材料较1200um多孔钛合金材料具有更优异的成骨性能,更有利于骨缺损修复和新骨长入,为国产3D打印骨小梁钛材料在临床中的应用提供了生物学方面的参考依据;通过对两种髋臼杯模型的三维有限元分析,我们发现国产3D打印多孔钛金属骨小梁髋臼杯外表面多孔骨小梁结构可以更好地分散与传导应力,减少局部应力集中,降低聚乙烯内衬的蠕变和磨损,有利于压配固定的稳定性,国产3D打印多孔钛金属骨小梁髋臼杯的较普通髋臼杯能提供更优异的初始稳定性。