背景:脊柱融合已成为脊柱外科的常规技术,广泛应用于腰椎退变、颈椎不稳定、椎间盘损伤和脊柱畸形的治疗。一般来说,脊柱融合手术是实现脊柱稳定和神经减压的有效方法[1]。然而,它通常伴有较高的融合失败和假关节发生率(5-35%)。其中两个最重要的影响因素是骨移植材料和骨移植方式的选择[2]。脊柱外科的发展对骨植入物提出了更高的要求。随着新技术和新材料的发展,越来越多的符合人体生物力学特性的新型骨替代品应运而生[3-8]。理想的骨替代材料应具有骨传导性、骨诱导性、无免疫原性、无疾病传播风险、合适的机械强度、经济有效、易于使用等特点。目前,自体骨仍是椎间融合的最佳材料。然而,它受到自体骨的一些缺点的限制,包括额外的外科创伤、术后并发症(如感染、血肿和供体部位疼痛)的风险增加以及自体骨供应有限[9-12]。使用同种和异种骨也可能带来诸如免疫排斥和骨疾病传播等风险[13,14]。钙基质和聚合人工骨替代物一直受到生物降解性差、生物相容性和生物力学等问题的困扰,从而导致低融合率[15,16]。因此,一种具有良好生物相容性、骨传导性、甚至能诱导骨长入的材料,可用于提高脊柱融合率和骨再生,已成为研究的热点。在医疗领域,医用多孔钽是近几年快速发展的-种生物医学植入材料。多孔钽金属具有比金属钛和钛合金更好的生物相容性,其重要特征是外形呈多孔状,内部孔与孔相通,材料的杨氏模量与人体骨骼接近,表面粗燥。目前主要制备方法是,以美国Zimmer公司为主的利用化学气相沉积法在玻璃碳骨架上沉积上金属钽制备医用多孔钽,主要用于膝关节,髋关节,肩关节,牙科的置换;中南大学的阮建明教授利用金属粉末烧结法制备了具有多孔形貌的钽块等。多孔钽具有更好的生物相容性和骨传导性,具有开放多孔金属结构和低弹性模量则类似于人体松质骨。近30年来,医用多孔材料在骨植入手术中替代固体金属的发展迅速。与固体植入金属相比,多孔金属具有更轻的重量、更大的接触面以及更接近人体骨骼的力学性能。多孔钽具有与人体骨相似的结构和力学性能,是最适合人体骨替代的材料之一。此外,钽可以刺激细胞增殖,提高成骨细胞的成骨能力[17]。临床上,多孔钽广泛应用于股骨头缺血性坏死、人工关节、脊柱融合等领域[18-25]。特别是在治疗股骨头早期缺血性坏死和大面积骨缺损的全髋/膝关节重建时,与传统材料和治疗方法相比,效果显著[19-22,24]。随着时间的推移,不同类型的钽材料椎间融合植入物在形状和结构上不断发展。最近,报道了一些关于多孔钽用于脊柱椎体间融合的临床研究[18,25-29]。美国Zimmer公司新一代多孔钽材料一骨小梁金属(Trabecular Metal,TM)的问世,因其具有良好的生物相容性、高孔隙率和骨相似的弹性模量特性,骨小梁金属(TM)已被证明能有效获得和改善腰椎椎间融合后病人的临床效果[26-29]。然而,也有报道表明,在颈椎融合的病例,早期的临床结果显示出矛盾的结果和有争议的观点。Lofgren等报道在单节段颈椎前路融合术后病例,使用骨小梁金属的融合率(69%)明显低于自体骨移植组(92%)[30]。Zardiackas等人[31]对多孔钽材料进行测试评估,结果表明在多孔钽单循环力学性能存在显著差异,这可能是由于多孔钽材料存在结构形态学上的差异,从而导致非精确控制的微观结构参数造成的。Shimko等人[32]探讨了孔隙率对骨小梁金属流体流动特性和力学性能的影响,认为更好地理解这些结构与功能的关系有助于提高植入物设计的质量。骨科植入物达到成功的临床融合疗效取决于各种生物学和临床因素,以及植入物材料的特性。骨科植入物表面或多孔结构参数的优化被证明可以增强骨传导性。如何设计、控制精确的微观形态结构及稳定的力学性能等也将成为骨小梁金属植入物进一步研究的重点和难点。目的:测试丝网编织结合化学气相沉积法制备多孔钽植入物样品性能(包含孔隙度、形貌、杨氏模量、成分检测等)是否达标;测试该多孔钽植入物的细胞、组织学毒性、生物相容性及骨相容性,验证其在动物体内实验融合效果;基于实验动物腰椎骨小梁结构优化设计多孔植入物,阐述腰椎骨小梁结构的力学性能;探索骨小梁多孔结构拓扑优化设计与骨小梁力学性能之间的关系及其机制;评价拓扑结构优化结合丝网编织、化学气相沉积法制备多孔钽支架可行性,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种新的思路及合理有效的方法。方法:通过丝网编织结合化学气相沉积法制备多孔钽植入物样品,观察多孔材料形貌及内部结构,测量孔隙度、孔径、杨氏模量及其成分。采用骨髓间充质干细胞(BMSCs)与多孔钽样品共同培养,电镜观察细胞形态评估生物相容性;CCK-8实验评估多孔钽浸出液对细胞的毒性。动物实验:用24只健康成年新西兰兔,对每只实验兔的L3-L4、L4-L5,L5-L6节段进行椎间盘切除手术,并按照不同的手术方式分为三组:(1)单纯椎间盘切除(对照组);(2)椎间盘切除+自体髂骨移植(自体骨移植组);(3)椎间盘切除+多孔钽植入(多孔钽植入组)。根据术后不同时间点处死实验兔获取腰椎标本时间,将24只实验兔分为四组:2个月(A组,n=6),4个月(B组,n=6),6个月(C组,n=6)和12个月(D组,n=6)。对标本采用Micro-CT检测以及组织形态学检查评估骨融合过程。多孔结构拓扑优化设计:腰椎骨小梁图像处理与模型重建:对实验兔腰椎标本进行Micro-CT扫描,并对图像进行采集、重建,转换为DICOM格式文件输出。利用图像处理算法对腰椎骨小梁结构进行窗宽窗位调整、阈值分割和区域增长处理。根据Wolff定律提出分层、分区域重建松质骨模型的方法,使用ANSYS15.0对松质骨图像进行三维重建及体网格划分,并进行光滑处理后得到模型结果。有限元分析:采用代表体元法求得等效物理性能,并基于代表体元法的约束和外载荷施加原理,利用代表体元法求解模型的等效性能(弹性模量、泊松比和剪切模量等参数)。多孔结构优化:基于前述计算所得模型的等效性能参数(弹性模量、泊松比和剪切模量)结果作为目标函数,引入拓扑优化的变密度法和均匀化方法对多孔结构进行设计,包含前处理、优化迭代和后处理三个步骤,最终得到多孔结构的优化重建模型。模型评价:对重建之后模型体积分数分布、力学性能参数分布(泊松比、弹性模量、剪切模量)、力学性能对比,验证模型力学性能各向异性,评价模型重建结果。生物力学实验:使用微机控制电子万能实验机(CMP5305型)及脊柱三维运动实验机进行力学强度对比实验、脊柱三维运动测量及椎间最大拔出力实验。组间指标比较采用单因素方差分析(One-way-ANOVA)方法;其他数量变量比较采用t检验。结果:所有实验兔术后均存活并逐步恢复行走活动,无神经损伤症状。术后1周及安乐死前(术后2,4,6个月和12个月),所有实验兔的神经功能评分均为0(正常行走,没有任何可观察到的共济失调)。手术并发症情况:切口感染1例,对症治疗后痊愈;腹壁疝1例。术后第12个月组,实验兔植入自体骨与植入多孔钽椎间隙融合指数比较无统计学差异(2.89±0.32 vs.2.83±0.38,F=2446,P<0.001;Pautograft vs.tantalum=0.709).CCT-8实验显示多孔钽浸出液与对照组吸光值无统计学差异(1.25±0.06vs.1.23±0.04,t=-0.644,P=0.545),提示浸出液对BMSCs细胞增殖无毒性。电镜观察BMSCs细胞呈不规则状,并形成纺锤丝粘附于多孔钽支架表面。多孔钽植入物周围及钽金属植入物与骨接触面,未观察到植入物降解、磨屑或骨溶解现象。钽植入材料内部及周围组织均未见明显的炎症反应。组织学评估结果可见植入多孔钽和自体骨椎间隙形成骨性融合。结论:该新型多孔钽植入物具有良好的生物相容性和骨相容性,可以作为有效的骨科内植物生物材料。小结:在本研究中,我们评估了新型多孔钽金属植入物在实验兔腰椎间隙实现腰椎椎间融合的效能。在兔前路腰椎融合模型中,术后12个月在多孔钽植入椎间隙可以观察到与自体骨植入椎间隙同等的影像学和组织学上的融合效果。未观察到植入物降解、磨屑或骨溶解现象。钽植入材料内部及周围组织均未见明显的炎症反应。钽植入物的复合材料和降解产物无毒、生物相容性好,无细胞及组织学毒性。实验结果表明,新型多孔钽具有独特的生物力学特性和精确的结构参数,有望成为椎间融合器的有效生物材料。