3D打印硫酸鋇－聚醚醚酮個性化髁突假體用于顳下頜關節(jié)重建的實驗研究

林凱 張哲儒 丁明超 邵小夕 田磊 段峰

顳下頜關節(jié)是人體既能滑動又能轉動的左右雙側聯動關節(jié)，其運動規(guī)律復雜，解剖結構獨特［1－2］。當患有嚴重的顳下頜關節(jié)骨關節(jié)病、關節(jié)強直、髁突粉碎性骨折等病變時，顳下頜關節(jié)重建是最有效治療方法［3－4］。目前，顳下頜關節(jié)重建方法有自體肋骨－肋軟骨移植、鈷鉻鉬合金假體植入、超高分子量聚乙烯假體植入等，但上述方法存在再次發(fā)生強直的風險、與骨力學性能差距大、潛在的細胞毒性等問題，難以滿足顳下頜關節(jié)重建后長期正常行使功能的要求［5－8］。

近三十年來，聚醚醚酮（poly-ether-ether-ketone，PEEK）作為一種新型高分子材料，由于其具有良好的生物相容性、與骨骼相近的彈性模量、不易老化等優(yōu)點，在骨科、神經外科和口腔科等領域逐漸得到推廣［9－10］。但PEEK材料是否能適應顳下頜關節(jié)特殊的運動規(guī)律和應力變化仍存在疑問和爭議；純PEEK材料具有絕對X線透射性，難以通過X線檢查植入物固位情況，為術后評估假體位置和手術效果帶來了困難。本研究將質量分數為3%的硫酸鋇（BaSO4）與PEEK材料均勻混合形成硫酸鋇－聚醚醚酮（Ba-PEEK）復合材料，增強其X線阻射性；并評估應用3D打印Ba-PEEK制作的個性化髁突假體進行顳下頜關節(jié)重建的安全性和實驗動物口頜功能恢復情況，旨在為將來Ba-PEEK材料在頜骨重建中的臨床應用提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 基本材料

1.1.1 Ba-PEEK材料制備 Ba-PEEK材料基本要求為BaSO4的質量分數為3%，用于3D打印制造的個性化下頜髁突假體材料符合《YY-T 0660-2008外科植入物用聚醚醚酮（PEEK）聚合物的標準規(guī)范》。

1.1.2 實驗動物 12月齡雄性健康比格犬（常州貝樂實驗動物養(yǎng)殖有限公司）8只，體重9.5～10.5 kg。

1.2 方法

1.2.1 比格犬分組 將比格犬隨機平均分為兩組（n＝4）：對照組，僅予以切開縫合暴露關節(jié)腔，不植入任何材料，術后1個月取材觀察結果；實驗組，比格犬右側下頜髁突植入Ba-PEEK3D打印個性化假體，分別于術后1、3、6個月取材。

1.2.2 3D打印Ba-PEEK材料顳下頜關節(jié)髁突假體制備 麻醉顯效后對每條比格犬拍攝高精度全頭顱CT（西門子，德國）。獲取 Dicom數據后，應用Mimics 19.0（Materialise公司，比利時）軟件對每條比格犬的右側顳下頜關節(jié)進行重建，重建完成后，將Mimics軟件生成的.mcs文件直接導入Proplan 2.1（Materialise公司，比利時）軟件中，根據計劃進行虛擬手術，設計截骨線。根據截骨位置，設計個性化髁突假體形態(tài)和截骨導板。3D打印制作個性化髁突假體、截骨導板和就位導板并拋光處理，進行高溫高壓滅菌后待用。

1.2.3 下頜髁突置換手術 全身麻醉后顯效后，自耳屏前至下頜中份切開皮膚、皮下、筋膜層，暴露下頜骨升支，向上剝離筋膜組織，直至暴露顳下頜關節(jié)關節(jié)囊。切開關節(jié)囊，鈍性分離顯露髁突和關節(jié)盤；固定截骨導板后用來復鋸截除下頜髁突；完善止血后應用就位導板輔助個性化髁突假體就位，鈦釘（西安中邦鈦生物材料有限公司）固定；沖洗創(chuàng)面，逐層關閉創(chuàng)口。實驗組比格犬均進行上述手術操作。對于對照組比格犬，術中僅切開關節(jié)囊，立即進行縫合操作，不破壞顳下頜關節(jié)的骨性結構，作為空白對照組。術后應用碘伏消毒創(chuàng)面，術后3 d內每天給予肌注頭孢呋辛鈉0.5 g/次、安痛定0.5 g/次。術后5 d內軟食飼養(yǎng)，減輕口頜系統(tǒng)負擔。

1.2.4 CT檢查 每組比格犬在術后和取材前每個月均拍攝全頭顱CT，用于檢測植入物在動物體內的固位等等情況。

1.2.5 口頜系統(tǒng)功能測試 進食速率檢測：禁食禁水8 h喂食直徑為1 cm，長度為1.5 cm香腸，每次將相同標準的25段香腸放置在15 cm×15 cm×10 cm的金屬碗中。分別在假體植入前、植入后1、3、6個月對所有未取材的植入髁突假體的實驗犬測試進食速率，每次每條犬測試3次。

主動張口度檢測：禁食禁水8 h后，通過誘導比格犬主動啃咬涂抹肉汁的不同直徑（D＝8、10、12 cm）的金屬棒從而測得最大主動張口度。分別在假體植入前、植入后1、3、6個月對所有未取材的植入髁突假體的實驗犬測試主動張口度，每次每條犬測試3次。

1.2.6 組織形態(tài)學檢查 每組比格犬均以相同手術入路顯露手術側關節(jié)區(qū)，要求在處死半小時內完整取出顳下頜關節(jié)盤等組織，記錄組織的顏色及狀態(tài)并固定在4%多聚甲醛溶液中。2～3 d后，在10%乙二胺四乙酸溶液（EDTA）中脫鈣，乙醇系列脫水，石蠟包埋，制作切片。將切片用蘇木精－伊紅染液（HE）染色，光鏡下觀察并采集照片進行對比分析。

1.3 統(tǒng)計學方法

應用 SPSS Statistics25.0（IBM Co.，U.S.）軟件進行統(tǒng)計學分析。采用獨立小樣本平均數t檢驗分析方法，對實驗采集數據進行比較分析。當P＜0.05時認為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

2.1 術后比格犬的一般情況

實驗比格犬均未發(fā)生意外死亡，手術創(chuàng)口均愈合良好，無紅腫及感染癥狀，無植入物移位、暴露，無全身不良反應等。

2.2 CT檢查

對不同時間段獲取的實驗動物CT數據進行分析，3D打印的Ba-PEEK個性化髁突假體植入后固位良好，無移位、無斷裂；植入物與周圍組織界線清晰，手術側關節(jié)窩及下頜骨均未發(fā)現明顯影像學變化。3D打印Ba-PEEK個性化髁突假體植入后6個月仍固位良好，關節(jié)窩骨皮質連續(xù)性好，假體與下頜骨接觸區(qū)骨質光滑，未見異常（圖1）。

A：雙側髁突截面；B、C：CT三維重建結果，其中綠色為Ba-PEEK髁突假體，其余為實驗犬正常骨組織圖1 驗組比格犬術后6個月CT圖像A：Bilateral condyle cross section；B，C：CT 3D reconstruction，in which green shows Ba-PEEK condyle prosthesis and the rest shows normal bone tissue of experimental dogsFig 1 CT images of experimental animals 6 months after operation

2.3 口頜系統(tǒng)功能檢測

實驗組比格犬進食特制香腸的速率與術前相比無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）。實驗組比格犬的主動張口度與術前相比平均值無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）（表1～2）。

表1 實驗組比格犬不同時間點進食速率的比較Tab 1 Comparison of feeding rate of Beagle dogs in experimental group at different time points

表2 實驗組比格犬不同時間點主動張口度的比較Tab 2 Comparison of active mouth opening of Beagle dogs in experimental group at different time points

2.4 組織形態(tài)學觀察

2.4.1 顳下頜關節(jié)區(qū)組織形態(tài)學觀察結果 大體觀察：對照組關節(jié)區(qū)組織瘢痕不明顯，顏色正常，未見其他異常；1月實驗組關節(jié)區(qū)組織內可見纖維組織增生，組織層次不清，關節(jié)盤整體厚度未見明顯異常；3月實驗組關節(jié)區(qū)組織內可見愈合瘢痕，組織層次基本正常，關節(jié)盤未見明顯異常；6月實驗組關節(jié)區(qū)組織內愈合瘢痕不明顯，組織層次清晰，關節(jié)盤未見明顯異常（圖2）。

圖2 各組顳下頜關節(jié)區(qū)組織學觀察（HE）Fig 2 Histological observation of temporomandibular joint tissues of the groups（HE）

2.4.2 關節(jié)盤組織學觀察 對照組，光鏡下細胞分布均勻，未見炎細胞浸潤，未見細胞形態(tài)改變。1月實驗組，可見成纖維細胞增多，未見細胞形態(tài)改變，可見炎細胞浸潤。3月實驗組，可見新生纖維，細胞形態(tài)未見異常改變，可見少量炎細胞浸潤。6月實驗組，關節(jié)盤組織內炎細胞數量基本正常，未見其他異常（圖3）。

圖3 各組比格犬手術側關節(jié)盤組織學觀察（HE）Fig 3 Histological observation of articular disc of Beagle dogs in the groups（HE）

3 討 論

PEEK材料因具有良好的生物相容性，與人皮質骨相接近的彈性模量等優(yōu)點被逐漸應用于醫(yī)學領域，近年的研究還發(fā)現PEEK材料的耐磨性和耐老化性優(yōu)于超高分子聚乙烯［11］，可能更適合關節(jié)的重建。目前，PEEK作為一種新型的高分子材料，PEEK材料在顳下頜關節(jié)置換中的應用也有零星的報道，但至今尚缺乏大規(guī)模的臨床數據［12］。此外，由于PEEK材料具有X線透射性，PEEK假體植入后的影像學觀察較為困難。

本研究中，首次制作了BaSO4粉末和PEEK粉末混合制備的Ba-PEEK材料，制作3D打印的下頜髁突假體進行比格犬的顳下頜關節(jié)重建。Ba-PEEK是在PEEK中均勻混合了質量分數為3%BaSO4微米級粉末，既能夠在X線檢測下顯示植入物的形狀，又不會產生影響影像學精度的X線衍射及偽影，更有利于以后的臨床應用。

半關節(jié)置換，即僅將病變的關節(jié)窩或髁突切除后進行人工材料替代。相對而言，保留關節(jié)盤的關節(jié)重建中［13］，半關節(jié)置換對植入物材料本身的要求更高。因此在本研究中，為探究更嚴格條件下Ba-PEEK材料應用的可行性，設計了半關節(jié)置換實驗，僅對髁突進行切除和個性化重建，并保留關節(jié)盤以觀察Ba-PEEK髁突假體對關節(jié)區(qū)組織的影響。

綜上所述，本研究對3D打印Ba-PEEK個性化顳下頜關節(jié)假體置換進行了初步的動物實驗研究，初步驗證了該材料作為顳下頜關節(jié)植入物時的安全性和有效性，并能夠基本恢復正常的顳下頜關節(jié)生理功能，是一種有前景的生物醫(yī)用材料。但是，本研究中仍然存在一些不足之處，本材料是否能夠應用于人體以解決患者病痛仍需要進一步實驗研究。