基于成人膝關節骨軟骨復合體微結構特征參數設計仿生骨軟骨支架的實驗研究

陳 凡,周堉涵,毛根穩,閔文宇,蔣榮軒,劉儉濤,姬文晨,李 萌*

(1 西安交通大學第一附屬醫院骨科,西安 710061;2 西安醫學院第一臨床醫學院;3 西安交通大學醫學部臨床醫學系;*通訊作者,E-mail:limeng@xjtufh.edu.cn)

關節軟骨損傷是由于創傷或老化等原因所引起的一種疾病,其發病率較高[1]。現有的治療方案分為初級治療、過渡治療和最終治療。初級治療主要包括補充軟骨基質、關節腔內注射藥物、關節鏡清理增生組織等方法,這些治療措施雖然具有一定效果,但均無法達到徹底治愈的目的[2]。過渡治療主要通過生物軟骨的修復從而延緩關節晚期的蛻變,其具有一定的治療效果,但也存在以下問題,如微骨折技術滲出的骨髓間充質干細胞在軟骨缺損處雖然可以形成纖維軟骨,但其生物力學性能與透明軟骨仍然相差較遠[3-5]。最終治療的方法則是人工關節置換和關節融合術,這種方式雖然可以從根本上解決病人的癥狀,但其創傷大,花費高,且對病人的身心往往會造成嚴重的負擔,并不是理想的治療方式[6]。所以,尋找新的治療方法,一直是臨床工作者探索和追求的方向。

利用3D打印構建與正常骨軟骨界面機械強度、結構、生物力學性能相似的骨軟骨支架是解決這一問題的可行方案[7-10]。骨軟骨復合體結構復雜,單一的結構設計通常不能滿足骨組織缺損修復的需要,所以采用合理的設計方法使得支架具有軟骨層、軟骨下骨層的復合結構是目前研究的熱點[11,12]。然而,現有的骨軟骨支架三維結構多為簡單的規則空隙,與自然松質骨骨小梁結構相差較大,這就導致長入支架空隙的新生骨不具備正常松質骨骨小梁的結構,從而導致修復部位的松質骨骨小梁應力曲線的規律性和非均勻的各向異性被破壞,進而使得修復部位的松質骨強度低于周圍正常骨組織,最終導致軟骨修復效果差,以及疾病復發率升高[13,14]。

所以,設計與自然骨軟骨復合體的微結構相似的仿生骨軟骨支架顯得尤為重要,為了解決上述問題,本課題組擬對正常人體膝關節股骨端的骨組織進行多點取材,獲得了軟骨、軟骨下骨板、松質骨骨小梁及松質骨間隙等形態計量學參數,依靠采集的數據進行了骨軟骨支架數字化三維模型設計,以期為仿生骨軟骨支架的制造提供詳實的前期依據。

1 材料與方法

1.1 標本選取

本研究共測量了3具非骨組織疾病致死的成年人尸體,捐獻者平均年齡為(53.7±3.2)歲,1具為女性,2具為男性。來自西安交通大學第一附屬醫院。該項目得到了西安交通大學第一附屬醫院醫學倫理委員會的批準。充分暴露尸體左右股骨膝關節端,在雙側關節面的髕面、外側髁及內側髁的正中位置選取一邊長為1.2 cm的正方形區域并標記,醫用擺鋸限深1.2 cm,沿標記線垂直于骨面切割,獲得邊長為1.2 cm×1.2 cm×1.2 cm的正方體骨塊。三具尸體的取材方法同上,一共18個標本,保存于福爾馬林溶液中備用。

1.2 軟骨及軟骨下骨板厚度測量

標本由微米X射線三維成像系統(Micro-CT, YXLON Y.Cheetah,德國)進行斷層掃描,并導入VG Studio MAX 3.4(Volume Graphics,德國)軟件進行三維重建。使用軟件中幾何測量模塊,于各標本冠狀切面等距測量6次軟骨及軟骨下骨板厚度,并計算不同部位標本的軟骨與軟骨下骨板厚度的比值。

1.3 松質骨骨小梁形態計量學參數獲取

選擇感興趣區(ROI)分析體積為1 cm3的正方體骨組織,獲得松質骨骨小梁形態計量學參數包括材料體積/總體積(BV/TV)、平均小梁數量(TbN)、平均小梁厚度(TbTh)、平均小梁間距(TbSp)。

1.4 松質骨間隙及其形態計量學參數獲取

選擇ROI反轉的輪廓,獲得松質骨間隙的形態計量學參數。

1.5 仿生骨軟骨支架模型設計

利用VG Studio MAX 3.4軟件,在重建后的骨軟骨復合體三維模型中選擇直徑8 mm,高10 mm的圓柱體ROI,將該ROI及ROI反轉的輪廓進行表面測定并渲染后,輸出stl(Stereo Lithography,光固化立體造型術)文件。

1.6 統計學分析

2 結果

2.1 標本掃描截面圖與重建圖

Miro-CT掃描標本結果顯示:關節軟骨、軟骨下骨板、松質骨界限清晰,未見骨組織病變。標本軟骨及軟骨下骨板厚度相對均一,松質骨骨小梁結構完整,未見變細或數量稀疏(見圖1)。

A.標本冠狀位截面圖(a.關節軟骨;b.軟骨下骨板;c.松質骨);B.松質骨及軟骨下骨板三維重建圖;C.松質骨三維重建圖;D.軟骨下骨板三維重建圖圖1 標本截面及重建圖Figure 1 Section and reconstruction of specimens

2.2 髕面軟骨厚度、軟骨下骨板厚度、軟骨厚度/骨板厚度與外、內側髁比較

髕面軟骨厚度大于外側髁、內側髁,差異有統計學意義(P<0.05);髕面軟骨下骨板厚度大于外側髁、內側髁,差異有統計學意義(P<0.05);髕面軟骨厚度/骨板厚度小于外側髁、內側髁,差異有統計學意義(P<0.05,見表1)。

表1 不同部位軟骨厚度、軟骨下骨板厚度、軟骨厚度/骨板厚度比較

2.3 髕面松質骨骨小梁形態計量學參數與外、內側髁比較

髕面BV/TV與外、內側髁相比,差異無統計學意義(P>0.05);髕面TbN與外、內側髁相比,差異無統計學意義(P>0.05);髕面TbTh與外、內側髁相比,差異無統計學意義(P>0.05);髕面TbSp與內側髁相比,差異無統計學意義(P>0.05),髕面與外側髁TbSp差異具有統計學意義(P<0.05,見表2)。

表2 不同部位松質骨骨小梁形態計量學參數比較

2.4 髕面松質骨間隙形態計量學參數與外、內側髁比較

髕面BV/TV與外、內側髁相比,差異無統計學意義(P>0.05);髕面TbN與外、內側髁相比,差異無統計學意義(P>0.05);髕面TbTh與內側髁相比,差異無統計學意義(P>0.05),髕面與外側髁TbTh差異具有統計學意義(P<0.05);髕面TbSp與外、內側髁相比,差異無統計學意義(P>0.05,見表3)。

表3 不同部位松質骨間隙形態計量學參數比較

2.5 仿生骨軟骨復合支架模型設計

基于人類膝關節股骨關節面骨軟骨復合體的局部微結構相關參數,使用VG Studio MAX 3.4軟件進行三維重構后顯示,選用骨小梁微形態計量學微參數設計出的非降解材料仿生多層生物支架模型具有與正常骨小梁一致的三維結構;選用松質骨間隙形態計量學微參數設計的可降解材料仿生多層生物支架模型,其空隙結構與正常骨小梁三維結構一致(見圖2)。

圖2 仿生骨軟骨復合支架模型設計Figure 2 Model design of multilayer biomimetic osteochondral composite scaffold

3 討論

近年來,不少學者對自然骨軟骨復合體的生物力學性能與其微結構特征進行研究,結果表明膝關節股骨關節面的骨軟骨復合體由表到里分為四層結構:關節軟骨、鈣化軟骨、軟骨下骨板和軟骨下松質骨[15,16]。為達到理想的軟骨修復效果,既往研究在設計骨軟骨支架時,對其軟骨及軟骨下骨板層的分層結構進行了精細化的研究與設計[17],但忽視了不同修復部位軟骨厚度及軟骨下骨板的厚度差異對修復效果帶來的影響。軟骨層和軟骨下骨板有不同的應力緩沖機制[18],應力傳導至軟骨層,再通過軟骨下骨板進一步的緩沖和傳導作用,將其分散至下方的松質骨骨小梁,這種應力應變的緩沖和分散機制非常有利于能量的吸收和緩沖[19]。本實驗結果顯示,膝關節股骨關節面負重區即外側髁、內側髁軟骨厚度及軟骨下骨板厚度明顯小于髕面,這可能與外、內側髁所處的生物力學環境有關,具體原因及意義,需后續進一步研究。以股骨膝關節面為例,支架的軟骨及軟骨下骨層材料的厚度需要根據軟骨缺損部位選定,精確而合適的厚度才能獲得更好的修復效果。與此同時,不同位置的軟骨厚度與軟骨下骨板的厚度比值差異明顯,該比值可能與軟骨與骨板之間的應力傳遞或分配有關,在支架設計時,還需將該因素考慮其中[20]。

良好的固定和支撐是軟骨修復必要因素[21],在絕對尺寸缺損模型下,缺乏軟骨下骨的骨軟骨修復注定失敗[22]。近年來,有學者設計出具有規則空隙的骨軟骨支架[23-25],此類支架為軟骨的再生提供了支撐與固定,并取得了較好的實驗結果。但此類支架的結構與正常骨小梁相差較大,骨小梁與松質骨結構強度密切相關,由此推測,具有骨小梁結構的骨軟骨支架將獲得更優的修復效果。3D打印技術的發展與成熟為骨組織工程支架的設計與制造帶來了新的機遇與挑戰,本課題組對人類膝關節股骨關節面進行了多點取材,并應用高分辨率CT獲取了松質骨骨小梁形態計量學參數。基于此,利用松質骨骨小梁形態計量學微參數,設計了具有仿生結構的非可降解支架模型,該支架形態結構與正常骨小梁一致,以仿生支架本身結構代替原有骨小梁,達到仿生的目的。同時,不同部位的微參數分析結果顯示:BV/TV、TbN、TbTh三組數據與取材部位之間的差異無統計學意義,但外側髁與髕面TbSp差異較明顯,具有統計學意義,TbSp是設計支架時支架孔徑的參考依據,為了提高支架的仿生性,用于修復不同缺損部位的支架,需要考慮設計不同的孔徑。

本研究獲取了標本骨小梁的反轉輪廓——松質骨間隙模型,并測得該模型各項形態計量學微參數。根據此,本課題組設計出了具有仿生結構的可降解支架模型。理想條件下,新生骨組織會完全填充支架空隙[26],當支架完全降解后,修復部位新生骨形態結構會與原有骨小梁結構一致。盡可能使修復部位骨小梁應力曲線的規律性和非均勻的各向異性與周圍正常骨小梁一致,以達到更好的修復效果。進一步地,松質骨間隙模型的形態計量學微參數分析結果顯示:BV/TV、TbN、TbSp三組數據與取材部位之間的差異無統計學意義,但外側髁與髕面TbTh差異較明顯,具有統計學意義,所以設計支架時,不同位置還需設計不同的小梁厚度,以提高支架的仿生性。

本研究測量了膝關節股骨面骨軟骨復合體的局部微結構相關參數,比較分析了不同部位各數據之間的差異,根據所得到的數據設計出兩種數字化三維仿生支架模型——仿生非可降解支架模型及仿生可降解支架模型。但是如需根據此模型制造骨軟骨支架,還需結合支架材料的性能,以及制造技術綜合考慮。研究的不足之處在于樣本量偏少,可能對各參量的普遍性有一定影響,但能夠對日后更加完善的支架設計方案提供一定參考。