随着新型医用钛合金植入材料不断应用于临床,解决了以往许多难以解决的问题,特别在骨科领域中,作为骨内植入体和硬组织修复材料的医用钛合金植入材料得到了广泛的临床应用。但是对于生物有机体而言,医用金属植入材料毕竟还是异物,其在物理和化学性能方面与体内环境还存在着巨大的区别。在现实的骨科临床应用中,这种金属材料自身性质的差异往往会带来很严重的问题。为了解决这些问题,人们开始着手研究如何提高医用钛合金植入材料的生物相容性,使植入体能够与周围的骨组织形成稳定的生物结合,保证植入体的近、远期效果。对于骨科而言,我们所关心的植入金属材料生物相容性主要包括:材料与宿主之间的生物力学、物理化学方面的相互作用。表现为材料与宿主直接或间接接触时涉及组织接受与定向结合、应力传递与分布、材料表面生物学行为等等一系列生物学行为。对于骨科而言,我们最关心材料的力学特性和表面特性。因此,本研究拟从改善钛合金植入材料力学特性以及表面特性两方面入手,提高材料的生物相容性,并通过动物体内实验的方法检测其对于成骨的影响,以验证其生物相容性改善的情况。对于材料力学特性的改善,我们选用新近研制具有国家自主知识产权的新型超低弹性模量钛合金Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn,其弹性模量仅为33GPa[1]。因为根据以往的相关研究结果,弹性模量是决定金属植入材料骨组织内应力是否集中的重要参数,理论上,弹性模量越低、越接近骨,引起应力吸收的几率就越小,不良并发症发生的机率也就越小。在材料表面改性方面,我们选用50μm沟槽的规则微形态表面。在本课题组前期进行的动物体外实验中,我们对照观察了多种微形态表面上成骨细胞的生长情况。结果发现,50μm沟槽的规则微形态表面的细胞在生长、分化等方面均具有优势,所以同时作为前期体外实验的体内验证性研究,我们在表面处理上选择50μm规则微形态。1.低弹性模量钛合金髓内针对兔胫骨骨折愈合及胫骨髓腔内成骨的影响目的:为了检验低弹性模量金属植入材料对于成骨的影响,我们选择Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn作为实验对象,选择目前临床最常用的钛合金Ti-6Al-4V作为对照,在兔胫骨骨折髓内针内固定模型中,检验这两种合金材料对于髓内针周围成骨及骨折愈合的影响。方法:实验选用新西兰大白兔15只,将Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(wt%)和Ti-6Al-4V(wt%)两种钛合金材料采用铸造和机械加工的方法制成直径为2mm、长度为85mm的圆棒,作为实验用的髓内针。胫骨做横行截骨后打入髓内针至胫骨骨髓腔以固定骨折,15只动物手术后均观察4周。术后当日及术后各周拍胫骨正侧位片,以确定内固定位置。手术后4周时,处死15只动物,随机选择5只做生物力学实验,5只拔除髓内针后做Micro-CT实验,5只带髓内针做病理学组织学观察。其中生物力学实验检测髓内针拔出力与骨折处骨痂的最大牵拉力,单位均为牛顿(N);Micro-CT实验测量胫骨远端髓内针周围的骨密度和骨痂体积比;组织病理切片使用MMA硬组织包埋,硬组织切片,HE染色和三色染色,并进行计算机辅助的图像分析计算骨痂面积比。数据统计采用SPSS 12.0进行双尾配对t检验,P值取0.05。结果:X线片示各只动物的骨折对位、内固定位置均良好,骨折线随时间变得逐渐模糊,骨痂量随时间增加,基本在第三周就已经有较明显骨痂覆盖骨折端。生物力学所得髓内针拔出力试验组与对照组分别为127.8±10.0N和110.9±7.9N,具有明显差异(P=0.009),而两组间骨痂最大牵拉力无明显差别(P=0.76)。从Micro-CT所得二维和三维图像可观察到明显的髓腔内成骨,BMD与BVF两组间均有明显差异。病理学图像分析所得的骨痂体积比有明显差异(P=0.00019)。结论:根据实验所得结果,可以证实低弹性模量髓内针内固定的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn实验组与Ti-6Al-4V对照组相比,在手术后的第四周,实验组胫骨髓腔内有较多的新骨形成,但是对于胫骨骨折愈合的影响并无差异。总之,通过本实验可以证实,低弹性模量金属植入材料对于周围成骨具有明显的促进作用。2.表面规则微形态低弹性模量钛合金植入物对于兔胫骨内成骨的影响目的:结合前一实验与本课题组前期实验的结果,我们计划进一步对比并验证不同表面以及处于不同生物应力条件下对于体内成骨的影响。将分别带有50μm规则微形态表面和光滑表面的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn与Ti-6Al-4V钛合金内植物植入兔胫骨中,观察手术后4周时表面新骨生成的情况。方法:实验选用新西兰大白兔5只,将Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(wt%)和Ti-6Al-4V(wt%)两种钛合金材料采用铸造和机械加工的方法制成制备成长0.5cm,厚1.0mm的正方形基片,在分别加工出50μm规则微形态表面和光滑表面,作为实验用的植入物,植入于胫骨中段。其中左侧两个开槽均放入Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn植入物,右侧两个开槽均放入Ti-6Al-4V植入物;双侧胫骨上方的两个开槽均放入光滑表面植入物,下方的两个开槽均放入规则微纹理表面植入物。术后当日及术后各周拍胫骨正侧位片,以确定内固定位置。手术后4周时,处死的动物,取出胫骨标本分别使用Micro-CT检测BMD与BVF;再进行组织病理学分析,MMA硬组织包埋,硬组织切片,而后进行显微X线片观察、白色背景光视野观察、偏振光视野观察以及甲苯胺兰染色后观察,并进行计算机辅助的图像分析计算骨痂面积比。数据统计采用SPSS 12.0进行双尾配对t检验,P值取0.05。结果:从Micro-CT所得图像可观察到明显的表面成骨灰度影像,所测得的BMD与BVF进行统计后发现:在材料相同时,规则微纹理表面成骨较好,而表面相同时,低弹性模量钛合金周围成骨情况良好,Ti-6Al-4V植入物周围发生骨质吸收现象。分别通过显微X线片观察、白色背景光视野观察、偏振光视野观察以及甲苯胺兰染色后观察,一方面可以证实Micro-CT所得表面灰度影像确实为骨组织影像,另一方面也再次验证了Micro-CT截面图中所得到的结果。甲苯胺兰染色后,经过图像分析所得的骨痂体积比(BVF)与Micro-CT检测所的结果接近。结论:根据实验所得结果,可以证实在材料相同的前提下,50μm的规则微纹理与光滑表面相比,具有良好的成骨诱导作用;而表面条件相同时,具有低弹性模量的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn钛合金植入物对于成骨的影响优于目前临床广泛使用的Ti-6Al-4V钛合金。总之,通过本实验可以证实,低弹性模量金属植入材料所带来的低生物应力条件与50μm的规则微沟槽带来的微纹理表面环境对于成骨均具有良好的促进作用。