新型低弹β钛合金植入物—骨界面成骨效应研究

论文摘要

背景:临床上作为外科植入用的金属生物材料中,钛及钛合金由于具有优良的生物相容性和优异的机械性能以及在体液环境中的耐腐蚀性而获得了广泛应用。但植入物与骨之间弹性模量的不匹配问题仍未彻底解决,目前已有的生物医用钛合金由于弹性模量与人骨相比过高,会导致载荷不能由植入物很好地传递到相邻骨组织,出现“应力屏蔽”现象,从而使植入物周围出现骨吸收,引起内植物松动或断裂,最终造成植入物的失败。因此尽可能的将载荷均匀地传到周围骨组织,减少“应力屏蔽”效应,是植入物成功与否的重要条件。因而研究具有较低弹性模量的新型生物医用钛合金就成为当前研究的热点。目前临床广泛使用的Ti-6Al-4V弹性模量为110GPa,虽然已经低于不锈钢的（200Gpa）,可相比于人骨骼等硬组织的10-30GPa,仍然较高,近期中国科学院金属研究所研制的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn系低弹性模量医用钛合金,弹性模量低至30GPa,更接近皮质骨的弹性模量,而屈服强度达到800-900MPa,明显优于临床现有的钛合金材料,有望成为为临床上替代原有钛金属材料的一种新型材料。目的:本研究目的是了解两种不同弹性模量（Ti–24Nb–4Zr–7.9Sn,弹性模量30GPa和Ti-6Al-4V,弹性模量110GPa）钛合金内植物对界面骨形成和界面应力分布的影响。方法:选用成年新西兰大白兔30只,采用Slaets E方法于双侧胫骨内侧近端植入两种弹性模量钛合金植入物,其中左侧为低弹组（Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn,弹性模量30GPa）,右侧为高弹组（Ti-6Al-4V,弹性模量110GPa）,分别于术后4、8、12周分别处死9只动物,采用X线、组织学、生物力学及Micro-CT对标本进行评价。Micro-CT检测指标包括BMD,BVF,SMI,兴趣区选择以植入物为中心的一个半径1mm的管状区域。组织学监测指标包括:骨接触率（BCR）、骨形成率（BFR）,兴趣区选择以植入物选择植入物横断面上,以植入物为中心的周围半径为0.5mm的环状区域。结果:X线:4、8、12周X线显示无明显差异。组织学:4、8、12周组织学切片显示4、8、12周时低弹组BCR均明显高于高弹组（P<0.05）。4周时两组的BFR无显著性差异（P>0.05）,8、12周时低弹组BFR高于高弹组（P<0.05）。Micro-CT:4周时,两组的BMD,BVF,SMI,AS无显著性差异（P>0.05）,8、12周时低弹组BMD,BVF,SMI,AS均明显优于高弹组（P<0.05）。生物力学检测:4周时低弹组的Fmax高于高弹组但无显著性差异（P>0.05）,8、12周时低弹组Fmax明显高于高弹组（P<0.05）。结论:本研究中,新型低弹β钛合金Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn内植物,相比于临床常用的Ti-6Al-4V内植物,能将更多的应力均匀的传递到周围骨组织中去,降低了应力集中效应,减少了骨组织的吸收,有利于植入物-骨界面的新骨形成,提高了骨界面的接触率,有利于骨整合,从而提高植入物的生物稳定性。我们相信,新型低弹β钛合金将在骨科领域有更广阔的应用。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 文献回顾
• 1. 医用内植物材料研究进展
• 2. 内植物-骨界面的研究进展
• 2.1 内植物-骨界面骨整合的形式
• 2.2 不同材料对内植物-骨界面的影响
• 3. 课题的研究意义及主要内容
• 正文
• 1 材料
• 1.1 实验动物
• 1.2 实验材料
• 1.3 实验仪器
• 2 方法
• 2.1 实验动物模型建立
• 2.2 标本采集与处理
• 2.3 组织切片的制备及观察
• 2.4 Micro- CT测定
• 2.5 生物力学测定
• 2.6 统计分析
• 3 结果
• 3.1 一般结果
• 3.2 大体结果
• 3.3 X线观察
• 3.4 组织学观察
• 3.5 Micro-CT检查结果
• 3.6 生物力学检查结果
• 4 讨论
• 4.1 研究植入物界面的方法
• 4.2 植入材料弹性模量对界面骨形成的影响
• 4.3 弹性模量对骨-植入材料界面稳定性的影响
• 小结
• 参考文献
• 附录
• 个人简历和研究成果
• 致谢