基于EBM制備鈦支架的髖臼缺損支架設(shè)計(jì)與構(gòu)建

胡 軍，王 驊

(江蘇省蘇北人民醫(yī)院創(chuàng)傷外科，江蘇 揚(yáng)州 225000)

長期以來，髖臼缺損一直是臨床全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)中難以處理的問題，尤其是在大面積骨組織缺損時(shí)[1]。目前，髖臼鈦板和植骨已成為臨床上修復(fù)骨缺損最常用的治療方法。自體骨、異體骨和人工骨是骨移植的主要材料。然而，這些材料面臨著許多實(shí)際問題，例如供體短缺、供體部位病變和排斥反應(yīng)等[2]。較大的髖臼杯和髖臼加強(qiáng)環(huán)一直是嚴(yán)重骨缺損THA的主要選擇[3]。同時(shí)，個(gè)體差異和操作難度的增加也極大地制約了該療法的廣泛應(yīng)用。為此，學(xué)者們已開發(fā)出大量的骨替代物。作為一種理想的植入物，骨替代物不僅應(yīng)具有合適的生物力學(xué)性能，還應(yīng)具有可控的結(jié)構(gòu)和合適的生物界面，以促進(jìn)植入物與骨組織受損區(qū)域的完美匹配，促進(jìn)或誘導(dǎo)再生。因此，材料的選擇十分重要。

在結(jié)構(gòu)方面，傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)已經(jīng)不能滿足需要，無法制備出具有特殊形狀和結(jié)構(gòu)的個(gè)性化種植體，更不可能進(jìn)行局部表面改性。隨著科技的飛速發(fā)展，這些問題都可以通過增材制造(3D打印)技術(shù)來解決。迄今為止，研究人員已經(jīng)通過3D打印設(shè)計(jì)和制造了大量的組織工程支架[4]。例如，基于陶瓷、生物聚合物和其他復(fù)合材料的3D打印支架已廣泛用于組織再生[5]。鈦和鈦合金也廣泛通過電子束熔融技術(shù)(EBM)或選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)制備成具有內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的植入物[6]。但是，它們大部分不適用于THA，可能是因?yàn)樗鼈冎皇歉鶕?jù)損傷區(qū)域的CT掃描數(shù)據(jù)制作，不可避免地忽略了整體結(jié)構(gòu)和連接設(shè)計(jì)，特別是那些連接復(fù)雜或靠近關(guān)節(jié)的植入物，使得既往的支架不能有效地結(jié)合缺損結(jié)構(gòu)和整個(gè)關(guān)節(jié)。因此，臨床迫切需要開發(fā)一種既能與缺損形狀匹配，又能保持關(guān)節(jié)功能的新型解剖學(xué)3D植入物。本研究采用復(fù)雜的CT數(shù)字解剖數(shù)據(jù)結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和3D打印技術(shù)的反向輔助設(shè)計(jì)，構(gòu)建了解剖3D植入物，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1材料 圓柱形鈦支架設(shè)計(jì)正視圖直徑8 mm，高度4 mm，孔隙率連接率為100%，其中設(shè)計(jì)纖維直徑200 μm，取向0°/90°，孔隙率64%。為了獲得髖臼缺損支架的結(jié)構(gòu)，先進(jìn)行CT掃描，然后進(jìn)行雙源CT(Siemens AG，德國Siemens公司)體積掃描，層厚2 mm，間距1 mm。將生成的文件保存為DICOM格式，然后使用Mimics10.0(比利時(shí)Materlise公司)重建3D解剖數(shù)據(jù)。使用Geomagic studio 11.0(美國Geomagic公司)進(jìn)行CAD，反向獲得髖臼形態(tài)方便顯示缺損，在軟件中修復(fù)缺損重建髖臼后，然后根據(jù)掃描數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)髖臼支架的3D形狀。

1.2方法 本研究中使用純度為99.9%、粒徑為5～46 μm的鈦合金Ti-6Al-4V粉末(Arcam A1，瑞典Indal公司)來制造鈦支架。本研究中使用的EBM系統(tǒng)為Arcam A1。參照文獻(xiàn)[7]的描述進(jìn)行鈦支架的制備。參數(shù)測量時(shí)用卡尺測量多孔圓柱形的大體三維參數(shù)，然后將支架放入水浴中測試含水量，評(píng)估支架孔隙率。采用激光共聚焦倒置顯微鏡(Olympus Fluoview FV500)測試支架微結(jié)構(gòu)的纖維直徑和孔徑。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散光譜(EDS)觀察支架的微觀結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)成分。力學(xué)測試采用單軸測試系統(tǒng)(Instron 4502，英國Instron公司)。將試樣分別固定在卡槽上并確保測試表面平坦。以1 mm/min的位移速率加載樣品，直至達(dá)到2 mm/min。在10%應(yīng)變(0.4 mm位移)下記錄抗壓強(qiáng)度。取兔顱骨骨缺損模型，植入支架，2個(gè)月后評(píng)估其成骨性能。髖臼的整體形狀近似為一個(gè)圓形。對(duì)髖臼缺損支架的直徑進(jìn)行測量，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析。最后借助有限元分析對(duì)髖臼支架進(jìn)行力學(xué)分析。

2 結(jié) 果

2.1CAD圓柱支架 實(shí)際的EBM支架，見圖1。鈦支架的平均直徑、厚度、孔隙率、纖維直徑和孔徑等實(shí)際指標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表1。SEM圖像顯示，獲得的鈦支架宏觀和微觀結(jié)構(gòu)與CAD設(shè)計(jì)參數(shù)能很好地匹配。在不同的放大倍數(shù)下，可以發(fā)現(xiàn)具有均勻分布顆粒的粗糙表面。表面化學(xué)成分分析結(jié)果表明,表面的主要成分仍然是鈦,在鈦支架表面存在大量的碳、氧元素，見圖2,這也有助于提升支架的組織相容性。結(jié)果表明，EBM技術(shù)可用于精確設(shè)計(jì)制備具有良好生物學(xué)性能的鈦支架。

表1 圓柱形支架的大體參數(shù)

2.2支架的力學(xué)測試 鈦支架的平均最大承載力為(3.48±0.21)kN，平均彈性模量為(12.81±0.39)GPa。對(duì)比可以看出，鈦支架在初始階段受力較大情況下，仍可以基本維持彈性形變，鈦板、圓柱狀鈦支架及大鼠股骨的壓縮彈性模量比較，鈦板最高為112.1 Gpa,鈦支架為14.6 Gpa,骨組織為3.5 Gpa，后兩者較為接近，見圖3。

2.3解剖髖臼支架 基于患者髖關(guān)節(jié)CT數(shù)據(jù)的三維重建與局部缺損的大小、形狀、周圍結(jié)構(gòu)吻合較好，見圖5。借助CAD設(shè)計(jì)完成了缺損部分的重建，同時(shí)保持了髖關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。在EBM技術(shù)的幫助下，可以成功打印設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的髖臼缺損支架。髖臼直徑的比較中，髖臼缺損支架與設(shè)計(jì)支架無明顯差異，見表2。表面多孔結(jié)構(gòu)有利于骨整合和髖臼穩(wěn)定性。髖臼缺損支架的有限元分析結(jié)果，見圖6。在載荷1 000 kg條件下，測出骨的楊氏模量為3 GPA，泊松比為0.3；假體(鈦合金)楊氏模量為96 GPA，泊松比為0.36。從整體分析結(jié)果來看，假體部分變形量較小，承重較好。見圖6。

表2 設(shè)計(jì)的髖臼缺損支架直徑

3 討 論

伴隨著交通方式的改變，導(dǎo)致創(chuàng)傷的因素不斷增多，高齡化和生活方式的改變導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)炎患者日益增多。越來越多的患者需要接受THA，眾多已經(jīng)手術(shù)的患者也需要進(jìn)行翻新[8]。無論是原發(fā)性損傷、先天發(fā)育引起的髖臼缺損，還是假體無菌性松動(dòng)引起的缺損，都是臨床醫(yī)生面臨的棘手問題[9]。無菌松動(dòng)是與聚乙烯磨損碎屑相關(guān)的最常見原因之一[10]。骨吸收和嚴(yán)重的骨缺損會(huì)使外科醫(yī)生難以根據(jù)術(shù)前影像選擇合適的假體，其難點(diǎn)在于評(píng)估骨缺損的嚴(yán)重程度，并確認(rèn)髖臼的穩(wěn)定性是否受到干擾。

骨缺損的治療方法眾多，但大多數(shù)結(jié)果都不盡如人意。結(jié)構(gòu)性植骨是最常用的方法之一，旨在為非骨水泥髖臼假體提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，直到髖臼假體長入其中[11]，常用于年輕患者保留骨量以備日后翻修。但因骨源缺乏、自體骨吸收、感染、長期塌陷松動(dòng)等原因，結(jié)構(gòu)性植骨不能無限制使用。打壓植骨是使用生物型髖臼杯、骨小梁金屬墊塊等的新方法，能顯著改善髖臼重建效果[12]。然而，髖臼骨折、移植物再吸收和疾病傳播的風(fēng)險(xiǎn)仍然不容忽視。翻修關(guān)節(jié)成形術(shù)的另一種選擇是Jumbo髖臼組件[13]，女性的直徑大于62 mm，男性的直徑大于66 mm。Jumbo杯是在不提供骨量重建的情況下，盡可能將髖臼杯放在宿主骨骼上。因此，大型髖臼組件已成為目前的主流選擇之一。此外，近年來開發(fā)了鉭金屬塊，其具有更好的骨生長面積和剪切強(qiáng)度，較高的摩擦系數(shù)可以保證初始穩(wěn)定性，這對(duì)于髖臼杯的長期生物修復(fù)非常重要[14]。但是，各種髖臼缺損不盡相同，髖臼缺損分析就顯得相當(dāng)重要。CT和三維軟件在骨量評(píng)估方面較傳統(tǒng)的X線圖有很大優(yōu)勢，前者在模擬缺損修復(fù)、螺釘固定和假體植入等術(shù)前計(jì)劃功能方面更加強(qiáng)大。最終的植入物應(yīng)與患者的解剖結(jié)構(gòu)完美匹配，不僅與髖臼缺損完美匹配，還應(yīng)與髂骨、坐骨和恥骨完美匹配。但是，上述傳統(tǒng)方案大都不能較好地匹配缺損區(qū)域，也無法完全恢復(fù)髖臼的穩(wěn)定性。因此，迫切需要開發(fā)個(gè)性化或定制的植入物。雖然用于重建大量骨缺損的定制植入物已很常見[15-16]，但受到材料科學(xué)和制造技術(shù)的限制，定制植入物并沒有得到廣泛發(fā)展。目前，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，缺陷修復(fù)領(lǐng)域有了更多的選擇。

近年來，組織工程技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出大量的骨替代物，包括金屬和聚合物復(fù)合材料。作為一門交叉學(xué)科，骨組織工程(BTE)被認(rèn)為是骨科植入物發(fā)展的有力工具。隨著研究的深入，陶瓷、碳合成材料、生物聚合物等可降解材料已被證明具有良好的生物降解性和生物相容性[17]。然而，較差的機(jī)械強(qiáng)度極大地阻礙了其在骨組織替代中的應(yīng)用[18]。在這方面，鈦和鈦合金是理想的替代品，因?yàn)樗鼈兙哂谐錾臋C(jī)械強(qiáng)度和骨誘導(dǎo)性[19]。無論是螺釘、骨板甚至人工關(guān)節(jié)，鈦材料的應(yīng)用最為廣泛。鈦金屬具有較高的孔隙率和摩擦系數(shù)，具有良好的生物活性，最適合骨向內(nèi)生長，粗糙的表面微紋理可提供骨貼合，在植入時(shí)能獲得更好的初始穩(wěn)定性[20]。EBM制備的鈦支架比SLM具有更高的生物相容性，因?yàn)槠涓碑a(chǎn)物相對(duì)較少。此外，越來越多的證據(jù)表明，EBM構(gòu)建的鈦支架在骨缺損修復(fù)中起著至關(guān)重要的作用。本研究通過EBM技術(shù)構(gòu)建圓柱形多空隙鈦支架，展示了3D打印技術(shù)的準(zhǔn)確性和可控性。本研究所得支架的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)參數(shù)可以與設(shè)計(jì)值匹配。雖然纖維粗糙，實(shí)際值與設(shè)計(jì)值偏差較大，但不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的精度。同時(shí)，化學(xué)成分測量表明，鈦元素仍然占主要份額，并且在鈦支架表面存在大量的碳和氧，表明纖維表面可能發(fā)生金屬氧化，并在金屬表面形成一層薄薄的氧化層，提高生物活性，從而防止持續(xù)氧化并增強(qiáng)耐腐蝕性[21]。掃描電鏡圖像表明，在鈦支架表面沒有金屬顆粒解離和孔隙阻塞。力學(xué)測量表明，與傳統(tǒng)的鈦板比較，鈦支架在壓縮力下具有相對(duì)較大的位移范圍，其生物力學(xué)特性更接近于骨骼，提示鈦支架可以較好地匹配體內(nèi)的生物力學(xué)環(huán)境。骨缺損狀態(tài)下，鈦支架的成骨性能較為優(yōu)異，骨長入情況滿意。基于此，借助患者髖關(guān)節(jié)的CT數(shù)據(jù)重建，EBM技術(shù)可用于開發(fā)具有足夠強(qiáng)度的新型髖臼假體。

在解剖髖臼支架設(shè)計(jì)之前，需要從目標(biāo)患者處收集髖臼數(shù)據(jù)。本研究采用西門子雙源CT薄層掃描，層厚2 mm，間距1 mm。為了重建個(gè)人解剖結(jié)構(gòu)，CT數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能完整。之后，將重建的髖臼缺損模型3D數(shù)據(jù)輸入CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析、重建，也可以在軟件中修復(fù)缺損，建立整個(gè)髖臼缺損支架。最后，利用EBM技術(shù)，以鈦構(gòu)建髖臼缺損支架。髖臼缺損支架多孔界面能更好地讓骨向內(nèi)生長。基于CT的髖臼缺損支架近似圓形，實(shí)際的外徑和內(nèi)徑與設(shè)計(jì)值無明顯差異。這表明基于CT的數(shù)字建模與EBM技術(shù)結(jié)合可以成功地制作出所設(shè)計(jì)的髖臼缺損支架。有限元分析結(jié)果顯示，相較于骨的楊氏模量3 GPA，髖臼缺損支架的楊氏模量明顯增高，強(qiáng)度增大，其在假體部分變形量較小，考慮髖臼缺損支架不僅能完美契合局部解剖，也能夠?yàn)檎麄€(gè)骨盆提供力量支撐。

綜上所述，基于CT的數(shù)字解剖數(shù)據(jù)、CAD技術(shù)結(jié)合EBM技術(shù)可用于精準(zhǔn)構(gòu)建髖臼缺損支架，并制作具有足夠機(jī)械強(qiáng)度的植入物。