3D打印硫酸鋇－聚醚醚酮個(gè)性化髁突假體用于顳下頜關(guān)節(jié)重建的實(shí)驗(yàn)研究

林凱 張哲儒 丁明超 邵小夕 田磊 段峰

顳下頜關(guān)節(jié)是人體既能滑動(dòng)又能轉(zhuǎn)動(dòng)的左右雙側(cè)聯(lián)動(dòng)關(guān)節(jié)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，解剖結(jié)構(gòu)獨(dú)特［1－2］。當(dāng)患有嚴(yán)重的顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)病、關(guān)節(jié)強(qiáng)直、髁突粉碎性骨折等病變時(shí)，顳下頜關(guān)節(jié)重建是最有效治療方法［3－4］。目前，顳下頜關(guān)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(qiáng)直的風(fēng)險(xiǎn)、與骨力學(xué)性能差距大、潛在的細(xì)胞毒性等問題，難以滿足顳下頜關(guān)節(jié)重建后長(zhǎng)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(diǎn)，在骨科、神經(jīng)外科和口腔科等領(lǐng)域逐漸得到推廣［9－10］。但PEEK材料是否能適應(yīng)顳下頜關(guān)節(jié)特殊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)力變化仍存在疑問和爭(zhēng)議；純PEEK材料具有絕對(duì)X線透射性，難以通過X線檢查植入物固位情況，為術(shù)后評(píng)估假體位置和手術(shù)效果帶來了困難。本研究將質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fù)合材料，增強(qiáng)其X線阻射性；并評(píng)估應(yīng)用3D打印Ba-PEEK制作的個(gè)性化髁突假體進(jìn)行顳下頜關(guān)節(jié)重建的安全性和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物口頜功能恢復(fù)情況，旨在為將來Ba-PEEK材料在頜骨重建中的臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，用于3D打印制造的個(gè)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 12月齡雄性健康比格犬（常州貝樂實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(jī)平均分為兩組（n＝4）：對(duì)照組，僅予以切開縫合暴露關(guān)節(jié)腔，不植入任何材料，術(shù)后1個(gè)月取材觀察結(jié)果；實(shí)驗(yàn)組，比格犬右側(cè)下頜髁突植入Ba-PEEK3D打印個(gè)性化假體，分別于術(shù)后1、3、6個(gè)月取材。

1.2.2 3D打印Ba-PEEK材料顳下頜關(guān)節(jié)髁突假體制備 麻醉顯效后對(duì)每條比格犬拍攝高精度全頭顱CT（西門子，德國(guó)）。獲取 Dicom數(shù)據(jù)后，應(yīng)用Mimics 19.0（Materialise公司，比利時(shí)）軟件對(duì)每條比格犬的右側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)進(jìn)行重建，重建完成后，將Mimics軟件生成的.mcs文件直接導(dǎo)入Proplan 2.1（Materialise公司，比利時(shí)）軟件中，根據(jù)計(jì)劃進(jìn)行虛擬手術(shù)，設(shè)計(jì)截骨線。根據(jù)截骨位置，設(shè)計(jì)個(gè)性化髁突假體形態(tài)和截骨導(dǎo)板。3D打印制作個(gè)性化髁突假體、截骨導(dǎo)板和就位導(dǎo)板并拋光處理，進(jìn)行高溫高壓滅菌后待用。

1.2.3 下頜髁突置換手術(shù) 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(guān)節(jié)關(guān)節(jié)囊。切開關(guān)節(jié)囊，鈍性分離顯露髁突和關(guān)節(jié)盤；固定截骨導(dǎo)板后用來復(fù)鋸截除下頜髁突；完善止血后應(yīng)用就位導(dǎo)板輔助個(gè)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(guān)閉創(chuàng)口。實(shí)驗(yàn)組比格犬均進(jìn)行上述手術(shù)操作。對(duì)于對(duì)照組比格犬，術(shù)中僅切開關(guān)節(jié)囊，立即進(jìn)行縫合操作，不破壞顳下頜關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)，作為空白對(duì)照組。術(shù)后應(yīng)用碘伏消毒創(chuàng)面，術(shù)后3 d內(nèi)每天給予肌注頭孢呋辛鈉0.5 g/次、安痛定0.5 g/次。術(shù)后5 d內(nèi)軟食飼養(yǎng)，減輕口頜系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

1.2.4 CT檢查 每組比格犬在術(shù)后和取材前每個(gè)月均拍攝全頭顱CT，用于檢測(cè)植入物在動(dòng)物體內(nèi)的固位等等情況。

1.2.5 口頜系統(tǒng)功能測(cè)試 進(jìn)食速率檢測(cè)：禁食禁水8 h喂食直徑為1 cm，長(zhǎng)度為1.5 cm香腸，每次將相同標(biāo)準(zhǔn)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(gè)月對(duì)所有未取材的植入髁突假體的實(shí)驗(yàn)犬測(cè)試進(jìn)食速率，每次每條犬測(cè)試3次。

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

1.2.6 組織形態(tài)學(xué)檢查 每組比格犬均以相同手術(shù)入路顯露手術(shù)側(cè)關(guān)節(jié)區(qū)，要求在處死半小時(shí)內(nèi)完整取出顳下頜關(guān)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(jìn)行對(duì)比分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用 SPSS Statistics25.0（IBM Co.，U.S.）軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用獨(dú)立小樣本平均數(shù)t檢驗(yàn)分析方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。當(dāng)P＜0.05時(shí)認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 術(shù)后比格犬的一般情況

實(shí)驗(yàn)比格犬均未發(fā)生意外死亡，手術(shù)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(yīng)等。

2.2 CT檢查

對(duì)不同時(shí)間段獲取的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物CT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，3D打印的Ba-PEEK個(gè)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(shù)側(cè)關(guān)節(jié)窩及下頜骨均未發(fā)現(xiàn)明顯影像學(xué)變化。3D打印Ba-PEEK個(gè)性化髁突假體植入后6個(gè)月仍固位良好，關(guān)節(jié)窩骨皮質(zhì)連續(xù)性好，假體與下頜骨接觸區(qū)骨質(zhì)光滑，未見異常（圖1）。

A：雙側(cè)髁突截面；B、C：CT三維重建結(jié)果，其中綠色為Ba-PEEK髁突假體，其余為實(shí)驗(yàn)犬正常骨組織圖1 驗(yàn)組比格犬術(shù)后6個(gè)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(cè)

實(shí)驗(yàn)組比格犬進(jìn)食特制香腸的速率與術(shù)前相比無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。實(shí)驗(yàn)組比格犬的主動(dòng)張口度與術(shù)前相比平均值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）（表1～2）。

表1 實(shí)驗(yàn)組比格犬不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)組比格犬不同時(shí)間點(diǎn)主動(dòng)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(xué)觀察

2.4.1 顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)組織形態(tài)學(xué)觀察結(jié)果 大體觀察：對(duì)照組關(guān)節(jié)區(qū)組織瘢痕不明顯，顏色正常，未見其他異常；1月實(shí)驗(yàn)組關(guān)節(jié)區(qū)組織內(nèi)可見纖維組織增生，組織層次不清，關(guān)節(jié)盤整體厚度未見明顯異常；3月實(shí)驗(yàn)組關(guān)節(jié)區(qū)組織內(nèi)可見愈合瘢痕，組織層次基本正常，關(guān)節(jié)盤未見明顯異常；6月實(shí)驗(yàn)組關(guān)節(jié)區(qū)組織內(nèi)愈合瘢痕不明顯，組織層次清晰，關(guān)節(jié)盤未見明顯異常（圖2）。

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

2.4.2 關(guān)節(jié)盤組織學(xué)觀察 對(duì)照組，光鏡下細(xì)胞分布均勻，未見炎細(xì)胞浸潤(rùn)，未見細(xì)胞形態(tài)改變。1月實(shí)驗(yàn)組，可見成纖維細(xì)胞增多，未見細(xì)胞形態(tài)改變，可見炎細(xì)胞浸潤(rùn)。3月實(shí)驗(yàn)組，可見新生纖維，細(xì)胞形態(tài)未見異常改變，可見少量炎細(xì)胞浸潤(rùn)。6月實(shí)驗(yàn)組，關(guān)節(jié)盤組織內(nèi)炎細(xì)胞數(shù)量基本正常，未見其他異常（圖3）。

圖3 各組比格犬手術(shù)側(cè)關(guān)節(jié)盤組織學(xué)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(zhì)骨相接近的彈性模量等優(yōu)點(diǎn)被逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，近年的研究還發(fā)現(xiàn)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(guān)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(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用也有零星的報(bào)道，但至今尚缺乏大規(guī)模的臨床數(shù)據(jù)［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(xué)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(jìn)行比格犬的顳下頜關(guān)節(jié)重建。Ba-PEEK是在PEEK中均勻混合了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%BaSO4微米級(jí)粉末，既能夠在X線檢測(cè)下顯示植入物的形狀，又不會(huì)產(chǎn)生影響影像學(xué)精度的X線衍射及偽影，更有利于以后的臨床應(yīng)用。

半關(guān)節(jié)置換，即僅將病變的關(guān)節(jié)窩或髁突切除后進(jìn)行人工材料替代。相對(duì)而言，保留關(guān)節(jié)盤的關(guān)節(jié)重建中［13］，半關(guān)節(jié)置換對(duì)植入物材料本身的要求更高。因此在本研究中，為探究更嚴(yán)格條件下Ba-PEEK材料應(yīng)用的可行性，設(shè)計(jì)了半關(guān)節(jié)置換實(shí)驗(yàn)，僅對(duì)髁突進(jìn)行切除和個(gè)性化重建，并保留關(guān)節(jié)盤以觀察Ba-PEEK髁突假體對(duì)關(guān)節(jié)區(qū)組織的影響。

綜上所述，本研究對(duì)3D打印Ba-PEEK個(gè)性化顳下頜關(guān)節(jié)假體置換進(jìn)行了初步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，初步驗(yàn)證了該材料作為顳下頜關(guān)節(jié)植入物時(shí)的安全性和有效性，并能夠基本恢復(fù)正常的顳下頜關(guān)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(yīng)用于人體以解決患者病痛仍需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。