兔骨內(nèi)激光快速成型純鈦的植入*

朱娟芳，田雪麗，楊文麗，田麗萍，陳 靜，高 勃

1)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)中心 鄭州450052 2)西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安710072 3)第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科西安710032

鈦及鈦合金具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、優(yōu)良的生物相容性以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在牙科的應(yīng)用越來越廣泛。激光快速成型(laser rapid forming，LRF)技術(shù)是20 世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種先進(jìn)的金屬零件制造技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)是將快速成型技術(shù)和激光涂覆技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來的產(chǎn)物。該加工方法制作過程不需要模具，特別適合于需要根據(jù)不同病例特點(diǎn)的柔性制造，對(duì)于不同患者只需要改變CAD 模型即可，具有加工速度快、節(jié)約材料、制造試件不受復(fù)雜形狀限制等優(yōu)點(diǎn)。目前LRF 主要用于制造業(yè)領(lǐng)域［1-6］。該課題組利用LRF技術(shù)制造了純鈦(pure titanium，Ti)種植體的性能測試試樣，準(zhǔn)微觀組織為細(xì)密網(wǎng)籃狀組織，具有更好的生物力學(xué)相容性［7］。人工種植體與天然人體器官有著本質(zhì)上的區(qū)別，要使植入體發(fā)揮良好的功能，關(guān)鍵在于植入體與相鄰組織形成良好的界面結(jié)構(gòu)［8］。界面的結(jié)構(gòu)性質(zhì)受多種因素的影響，尤其是受種植材料與骨組織的生物相容性和力學(xué)相容性的影響［9］。因此在LRF Ti 材料用于人體之前，需要通過活體動(dòng)物研究材料植入后的周圍組織反應(yīng)、植入體和骨組織界面的情況以及界面結(jié)合的牢固程度。該研究應(yīng)用活體動(dòng)物骨內(nèi)埋植實(shí)驗(yàn)，從界面的組織學(xué)和生物力學(xué)角度，進(jìn)一步探討LRF Ti 用作種植體時(shí)對(duì)骨的生物學(xué)作用及機(jī)制。

1 材料與方法

1．1 試樣及制備 將LRF Ti［7］(西北有色金屬研究院)加工成兩種規(guī)格的試樣(圖1A)。圓柱狀試樣(A 型):直徑2 mm，高6 mm;圓柱狀加帽試樣(B型):直徑2 mm，高6 mm，帽的部分直徑4 mm、高2 mm，在帽的部分沿直徑方向打一直徑1 mm 的孔，利于鋼絲穿過。每種規(guī)格試樣各12個(gè)。試樣采用丙酮超聲清洗10 min，無水乙醇洗5 min，去離子水洗5 min，高溫高壓消毒備用。工業(yè)純鈦［7］(CP Ti，西北有色金屬研究院)作為對(duì)照，加工出相同規(guī)格和數(shù)量的試樣。

1．2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及設(shè)備 健康兔12只，體重2．5～5．0 kg，雌、雄各6只，由第四軍醫(yī)大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供。按照第四軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物保健和使用指南，在標(biāo)準(zhǔn)化條件下進(jìn)行喂養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)通過動(dòng)物倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，周期為4 周。萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(日本島津)，掃描電鏡(JSM-640，日本電子公司)，X 射線機(jī)(美國熱電公司)。

1．3 試樣的植入 戊巴比妥鈉全身麻醉兔，預(yù)防性抗生素皮下注射。于兔股骨外側(cè)剪毛，手術(shù)區(qū)消毒?？v向切開兔股骨外側(cè)面，逐層切開并分離皮膚、皮下組織、肌肉、骨膜。用鉆(2 000 r/min)在骨皮質(zhì)上鉆孔，穿透一側(cè)骨皮質(zhì)到達(dá)骨髓腔，同時(shí)用生理鹽水冷卻。每側(cè)肢體制備2個(gè)孔，孔間距大于8 mm，孔直徑為2 mm。在動(dòng)物左右肢體的同一位置處，一側(cè)放置試樣，對(duì)側(cè)放置對(duì)照試樣。指壓將試樣插入孔內(nèi)，A 型種植體的上端與骨面平齊，B 型種植體的帽狀部分下端與骨面平齊，帽狀部分暴露在骨皮質(zhì)外面(圖1B)。逐層縫合肌筋膜、皮下組織及皮膚。

圖1 試樣(A)及其骨埋植(B)

1．4 觀測指標(biāo)

1．4．1 一般觀察 術(shù)后觀察動(dòng)物并記錄任何異常發(fā)現(xiàn):局部反應(yīng)和異常行為。4 周后，用過量戊巴比妥鈉處死動(dòng)物。立即取下含有植入體以及周圍組織的組織塊標(biāo)本。

1．4．2 X 射線觀察 用X 射線機(jī)對(duì)所有組織塊標(biāo)本拍攝X 射線片，觀察植入體周圍的骨組織情況。

1．4．3 病理組織學(xué)觀察 植入體以及周圍組織經(jīng)體積分?jǐn)?shù)10%的甲醛固定后，將組織塊修整成小塊，每塊含有一顆種植體。再用體積分?jǐn)?shù)10%的甲醛固定，用脫鈣劑(硝酸)脫鈣1 周，常規(guī)系列乙醇脫水，石蠟包埋。垂直植入體長軸進(jìn)行連續(xù)切片，HE 染色，光學(xué)顯微鏡下組觀察并照相，進(jìn)行組織學(xué)分級(jí)。

1．4．4 掃描電鏡觀察 將種植體組織塊樣本按常規(guī)方法制作成掃描電鏡標(biāo)本，進(jìn)行掃描電鏡觀察。

1．4．5 種植體生物結(jié)合力測試 對(duì)種有B 型種植體的動(dòng)物，切取包含植入體及其周圍組織的組織塊，將組織塊表面磨平，與種植體垂直。放入實(shí)驗(yàn)夾具內(nèi)。在種植體帽狀部分的孔內(nèi)穿入鋼絲，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)將種植體從骨內(nèi)拉出，速度1 mm/min，記錄載荷值。

2 結(jié)果

肉眼觀察LRF Ti 和CP Ti種植體周圍軟組織均無紅腫等炎癥反應(yīng)，種植體均無松動(dòng)。X 射線片(圖2)可見:LRF Ti 和CP Ti種植體周圍的骨組織連續(xù)，無骨吸收現(xiàn)象，骨組織與種植體接觸緊密。組織切片(圖3)可見:植入體擠壓就位植入4 周后的LRF Ti種植體骨界面愈合形式與CP Ti 植體完全相同，組織排列正常，無炎癥反應(yīng)，無骨吸收。掃描電鏡(圖4)下可見種植體與骨組織界面之間有骨細(xì)胞突和骨膠原纖維，在骨松質(zhì)區(qū)，可見成纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞突、骨小梁伸向氧化膜的表面。B 型LRF Ti種植體界面的剪切力為(31．94±5．48)N，CP Ti 為(30．63 ±4．26)N，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0．469，P=0．651)。

圖2 術(shù)后4 周LRF Ti種植體(A)和CP Ti種植體(B)組織塊X 射線片

圖3 術(shù)后4 周骨界面病理組織學(xué)觀察(HE，×200)

圖4 術(shù)后4 周骨界面掃描電鏡圖(×5 000)

3 討論

金屬植入體植入人體內(nèi)后，要承受生物力的作用，種植體將生物力傳遞到周圍硬組織中，實(shí)現(xiàn)這一功能的生物學(xué)基礎(chǔ)是種植體與周圍骨組織之間形成良好的界面形態(tài)，而骨界面的力學(xué)性能是功能基礎(chǔ)。種植牙周膜結(jié)合界面是指種植體與周圍骨組織形成類似牙周膜的纖維附著，目前還未見到可靠的類似天然牙周膜的種植牙周膜。愈來愈多的研究［10-12］認(rèn)為:骨結(jié)合界面最容易達(dá)到種植義齒的長期成功。

植入體植入人體后，作為一個(gè)外來物，對(duì)局部和全身均產(chǎn)生一定的影響。種植材料與骨組織的相互作用即種植體骨界面的愈合機(jī)制對(duì)種植材料的功能以及種植體的預(yù)后有著極其重要的意義，種植體表面的最初性狀決定了蛋白質(zhì)吸附的種類和數(shù)量，從而影響宿主細(xì)胞和材料表面的結(jié)合狀態(tài)［13］。Ti 由于極易在表面形成氧化膜TiO2，表現(xiàn)為一種惰性的界面狀態(tài)。該氧化膜起到了有機(jī)組織與無機(jī)種植體的轉(zhuǎn)換層作用。TiO2可部分形成一種TiOOH 基質(zhì)，該基質(zhì)可能能抑制超氧產(chǎn)物在炎癥中的產(chǎn)生，進(jìn)而阻止氫氧根離子的釋放，使Ti 系種植體在植入?yún)^(qū)組織中保持穩(wěn)定的相容關(guān)系［9］。Petzold 等［14］認(rèn)為Ti種植體表面的顯微結(jié)構(gòu)能夠影響表面的潤濕性，從而影響與宿主的界面接觸和早期血漿蛋白的生物反應(yīng)。有良好潤濕性的表面結(jié)構(gòu)會(huì)促進(jìn)種植體植入后與宿主組織的早期接觸，極大提高親和性。CP Ti由于優(yōu)良的生物相容性而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，故該研究以CP Ti 作為對(duì)照。

該研究結(jié)果表明，種植體與骨組織界面之間可以見到骨細(xì)胞突和骨膠原纖維，在穿越骨松質(zhì)區(qū)，可見成纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞突、骨小梁伸向氧化膜的表面。說明植入體TiO2膜與機(jī)體組織的交界面不是處于靜止的接觸關(guān)系，而是通過活躍的化學(xué)反應(yīng)形成機(jī)械性和化學(xué)性的復(fù)合結(jié)合狀態(tài)。

將種植體從周圍骨組織中拉出，所測量的是種植體與周圍組織之間的剪切力，可以間接反映在特定的時(shí)間點(diǎn)種植體與周圍組織之間的結(jié)合強(qiáng)度。該研究中，LRF Ti 和CP Ti 均采用光滑表面，因此表面性狀是一致的，將兩者的界面結(jié)構(gòu)和生物結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比是有意義的。該實(shí)驗(yàn)中，LRF Ti 和CP Ti種植體界面的剪切力差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明LRF Ti 與CP Ti種植體與骨組織有相同的結(jié)合強(qiáng)度。

綜上所述，LRF Ti 有良好的骨組織相容性，能夠在動(dòng)物體內(nèi)形成良好的骨結(jié)合。

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