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艾因斯新蟲(chóng) (小有名氣)
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[交流]
鉭涂層假體生物力學(xué)行為和物理特性的初步研究
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介紹 隨著對(duì)骨與假體表面間粘附性研究的深入，假體表面的處理方法也越來(lái)越多樣化。在過(guò)去的30年中，涂有各種多孔涂層材料的假體已經(jīng)廣泛用于治療下述疾病，例如分別代表多孔生物陶瓷涂層和金屬涂層的羥基磷灰石【HA，Ca10（PO4）6（OH）2】和鈦（Ti）骨科疾病和創(chuàng)傷。大多數(shù)產(chǎn)品是通過(guò)等離子噴涂或熱燒結(jié)將HA或Ti金屬材料涂覆到不銹鋼或Ti金屬基材的表面上而制成的。這種涂層在假體表面提供了具有骨傳導(dǎo)和骨結(jié)合功能的多孔結(jié)構(gòu)，以改善假體和人體組織之間的生物連接。 鉭生物材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用始于上世紀(jì)中葉。自1997年以來(lái)，多孔Ta材料已廣泛用于臨床矯形手術(shù)，例如關(guān)節(jié)置換、腫瘤切除后的組織重建以及股骨頭缺血性壞死和椎體融合的治療。先前的基礎(chǔ)研究和臨床觀(guān)察已經(jīng)證明了鉭金屬良好的生物相容性及其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性。近年來(lái)由多孔Ta材料制成的骨小梁金屬的彈性模量非常接近人類(lèi)松質(zhì)骨的彈性模量，因此該材料更適合用作骨移植物或骨缺損的填充物。 目前臨床上使用的“Ta涂層”實(shí)際上是復(fù)合工藝制備的多個(gè)嵌套的Ta復(fù)合塊或多孔Ta外襯；這些厚的外襯和復(fù)合塊主要部分用作骨缺損患者的骨移植替代物，它們本質(zhì)上不是真正的假體涂層。這些多孔Ta組件的機(jī)械強(qiáng)度較低，并且由于其厚度通常受到假體機(jī)械強(qiáng)度要求的限制，因此無(wú)法在正常情況下（非骨缺損情況）用于關(guān)節(jié)置換。此外，多孔Ta的生產(chǎn)相對(duì)復(fù)雜且昂貴；因此，用CVD鉭蒸氣相沉積的方法制備較薄的鉭涂層已成為人們感興趣的方法。 因?yàn)槔硐氲耐繉雨P(guān)節(jié)替代假體不僅整體上具有良好的生物相容性和高機(jī)械強(qiáng)度，而且還具有假體表面強(qiáng)度和高涂層粘合強(qiáng)度，以保持表面多孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并促進(jìn)骨組織粘附到假體表面和骨生長(zhǎng)到其微孔中，從而實(shí)現(xiàn)術(shù)后假體穩(wěn)定性。因此，本研究以臨床使用的鈦涂層假體為對(duì)照，研究了Ta涂層的一般物理特性、骨生物相容性和生物力學(xué)行為，并初步評(píng)估了Ta涂層假體臨床應(yīng)用的可行性。 實(shí)驗(yàn) 材料制備 醫(yī)用Ti-6Al-4V基材用于通過(guò)CVD鉭蒸氣相沉積制造Ta涂層假體和界面機(jī)械測(cè)試樣品。Ta涂層在艾因斯（北京）鉭應(yīng)用科技有限公司進(jìn)行。假體和界面機(jī)械測(cè)試樣品的基底尺寸分別為3mm×12mm和20mm×3mm，涂層厚度均勻?yàn)?50 μm；相同的基材和規(guī)格用于含Ti涂層的對(duì)照。用于涂層粘合強(qiáng)度測(cè)試的假體和樣品見(jiàn)圖1a–d，顯示了Ta涂層假體的表面結(jié)構(gòu)。 動(dòng)物和假體植入 60只雄性新西蘭白兔（體重2.8-3.0kg，月齡6個(gè)月）。將60只動(dòng)物分為T(mén)a涂層組和Ti涂層組，每組30只動(dòng)物。通過(guò)邊緣耳靜脈用2%戊巴比妥注射液（40mg/kg）麻醉動(dòng)物。手術(shù)是在無(wú)菌條件下進(jìn)行的。用直徑3.2毫米的鉆頭在股骨的雙側(cè)上髁朝向內(nèi)側(cè)上髁鉆一個(gè)孔。將假體放入孔中后，用縫線(xiàn)縫合切口。每只動(dòng)物每天肌肉注射青霉素400000 U，以避免術(shù)后第一周傷口感染。手術(shù)后4、9和15周，每組各處死10只動(dòng)物。含有骨組織樣本的假體用90%乙醇固定，用于進(jìn)一步研究。圖1e、f分別顯示植入部位和實(shí)際手術(shù)過(guò)程。 植入手術(shù)的實(shí)驗(yàn)材料和圖解。鈦合金基底和涂覆Ta和涂覆Ti的假體；b .用于測(cè)試基材和不同涂層特性的樣品。c .在金相顯微鏡下觀(guān)察到的鉭涂層的表面結(jié)構(gòu)；黑色區(qū)域是Ta涂層的表面孔隙（Ta涂層的2D孔隙率接近30%，通過(guò)在圖像處理后計(jì)算角場(chǎng)的面積比來(lái)確定）；用掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察鉭涂層的表面孔隙。e，f假體植入和外科手術(shù)的位置。g、h推出試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)兔股骨髁的尺寸設(shè)計(jì)。 組織病理學(xué)評(píng)估 通過(guò)切片的組織學(xué)染色觀(guān)察植入假體表面的骨長(zhǎng)入和假體-骨界面的形態(tài)。 改善了龐索三色染色 在殺死動(dòng)物后立即切割和收獲標(biāo)本，并在90%的乙醇中固定1周。固定標(biāo)本用塑料梯度液體處理，制成含有金屬植入物的塑料塊；然后使用徠卡SM2500硬組織切片機(jī)進(jìn)行切片，獲得7μm的切片，然后按以下步驟用龐索三色染色染色：(1)制備染色溶液：(a)苦味酸-橙混合物（1%橙G溶液和飽和苦味酸溶液以1：9的比例混合）；(b)龐索混合物（2% R2龐索在1%醋酸溶液和2%晶體索在1%醋酸溶液的比例混合）；(2)染色程序：(a)玻片在1%磷鎢酸溶液中孵育10 min；(b)在1%甲苯胺藍(lán)中孵育10 min；(c)在70%乙醇溶液中孵育1 min以分化；用苦味酸-橙混合物(d)染色30 s；(e)Ponceau混合物染色30 min；(f)載玻片干燥后用中性樹(shù)脂密封；每個(gè)孵育步驟后用蒸餾水清洗載玻片。染色切片的顏色為：骨組織為紅褐色，骨髓軟組織或基質(zhì)組織為橙黃色，新骨和類(lèi)骨為藍(lán)色，軟骨和鈣化軟骨為淺藍(lán)色。 蘇木精和伊紅染色 生物力學(xué)測(cè)試后，股骨髁標(biāo)本在4℃的4%多聚甲醛中固定48小時(shí)，并在15% EDTA中脫鈣2周。然后將標(biāo)本在自動(dòng)脫水機(jī)中常規(guī)脫水24小時(shí)，并逐漸通過(guò)清潔過(guò)程取出，包埋在石蠟中，以4μm的厚度切片，并干燥用于進(jìn)一步染色。 骨組織的組織形態(tài)計(jì)量分析 徠卡Q-Win Stander V2.3自動(dòng)圖像分析系統(tǒng)（德國(guó)）用于骨的組織形態(tài)分析，以確定假體周?chē)堑南騼?nèi)生長(zhǎng)和骨形成。八幅圖像（放大倍數(shù)1.6*10）的龐索三色染色切片。使用圖像處理軟件選擇假體周?chē)?00像素區(qū)域內(nèi)的單個(gè)圖像區(qū)域；使用軟件的測(cè)量工具計(jì)算選定區(qū)域中的骨組織量，包括成熟骨、軟骨和類(lèi)骨質(zhì)。 生物力學(xué)測(cè)試 測(cè)試樣品從半徑為1.5 cm的假體中心周?chē)膱A形區(qū)域收集，并通過(guò)使用II型義齒基托樹(shù)脂連接到預(yù)先設(shè)計(jì)的機(jī)械測(cè)試平臺(tái)上。假體的垂直軸與平臺(tái)表面保持垂直（在機(jī)械測(cè)試平臺(tái)的底部制作一個(gè)直徑為9 mm的孔眼，以確保在推出測(cè)試過(guò)程中假體可以從組織中推出）。在該推出試驗(yàn)中使用計(jì)算機(jī)控制的Insttron 6001通用機(jī)械測(cè)試系統(tǒng)，以0.5 mm/min的加載速度和零起始載荷檢測(cè)假體上的剪切效應(yīng)。當(dāng)植入的假體在持續(xù)加載后開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，記錄極限剪切強(qiáng)度值。力學(xué)測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1g，h。 粘合強(qiáng)度測(cè)試 通過(guò)使用WS-2005涂層粘附力自動(dòng)劃痕測(cè)試儀（LICTP）在Ta涂覆和Ti涂覆的樣品上進(jìn)行涂層粘附強(qiáng)度的測(cè)試。抓頭移動(dòng)2毫米/分鐘，最大負(fù)載100牛頓，加載速度20牛頓/分鐘）。還對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較。 表面硬度測(cè)試 在室溫下，使用HV-120維氏硬度計(jì)（壓頭載荷5千克，持續(xù)時(shí)間8秒）測(cè)試每個(gè)Ta涂覆組或Ti涂覆組的六個(gè)涂層厚度為150微米的樣品的表面硬度。分析了表面硬度對(duì)涂層結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響。 掃描電鏡觀(guān)察和EDX分析 掃描電子顯微鏡（SEM）掃描假體表面并進(jìn)行EDX分析是同時(shí)進(jìn)行的。檢測(cè)極限剪切強(qiáng)度測(cè)試前后假體表面形態(tài)和元素組成的變化。還評(píng)估了假體周?chē)切纬傻臓顟B(tài)以及骨-假體和涂層-基底界面的剪切效應(yīng)。 結(jié)果 組織病理學(xué)評(píng)估 改善了龐索三色染色 手術(shù)后四周，麗春紅三色染色顯示實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中假體周?chē)墙M織的形成；新骨組織與假體涂層之間的粘附緊密穩(wěn)定；小梁骨向周?chē)由�；并且涂層沒(méi)有松動(dòng)的跡象（圖2a，d）。隨著注入時(shí)間的增加，新的兩組的骨組織和骨小梁數(shù)量逐漸增加 組織切片的改良麗春紅三色染色。分別在植入后4、9和15周，Ta涂層周?chē)袤w周?chē)腶–c長(zhǎng)入骨；股骨的向內(nèi)生長(zhǎng)兩組患者的骨組織和骨小梁骨數(shù)量均逐漸增加 骨組織的組織形態(tài)學(xué)分析（表1) 隨著植入后時(shí)間的延長(zhǎng)，如圖。3a–f和表1這兩種假體周?chē)募袤w周?chē)求w積持續(xù)增加。圖1比較了兩種不同涂層假體在植入后不同時(shí)間的骨體積分?jǐn)?shù)圖3g；結(jié)果表明，術(shù)后同一時(shí)間Ta涂層和Ti涂層種植體的假體周?chē)求w積分?jǐn)?shù)沒(méi)有顯著差異（P>0.05）。圖3h表示植入后不同時(shí)間Ta涂層假體骨體積分?jǐn)?shù)的自我控制（P<0.01）；結(jié)果表明，植入后15周Ta涂層假體的假體周?chē)求w積分?jǐn)?shù)顯著高于4或9周后。組織病理學(xué)結(jié)果表明Ta涂層具有良好的假體周?chē)晒翘匦�，Ta涂層周?chē)墓求w積隨著植入后時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)增加。 掃描電鏡觀(guān)察和EDX分析 掃描電鏡結(jié)果清楚地顯示，骨組織附著在ta涂層和ti涂層假體的表面分別在植入后4、9和15周鈦涂層周?chē)募袤w周?chē)c同期鈦涂層相比（🔺🔺P>0.05）；比較植入后4周Ta涂層假體的骨體積分?jǐn)?shù)（**P <0.01） 植入的早期階段（4周）；新組織生長(zhǎng)均勻，小梁結(jié)構(gòu)清晰（圖4a，b)。假體植入前后的對(duì)比EDX分析表明，假體表面生長(zhǎng)的組織主要由元素C、O、Ca和P組成（圖4c–f)。 骨體積分?jǐn)?shù)的比較。a–c植入后4、9和15周Ta涂層假體周?chē)袤w周?chē)墓求w積；d–f植入后4、9和15周鈦涂層假體周?chē)袤w周?chē)墓求w積；g .植入后4、9和15周兩種不同涂層假體的骨體積分?jǐn)?shù)比較（🔺🔺P>0.05）；植入后4、9和15周Ta涂層假體骨體積分?jǐn)?shù)的自我控制（**P <0.01）。 植入前后假體表面的掃描電鏡觀(guān)察和EDX分析圖像。植入后4周Ta涂層和Ti涂層假體表面組織的a、b掃描電鏡觀(guān)察；在Ta涂層和Ti涂層植入物的表面上可以觀(guān)察到一薄層骨組織，具有規(guī)則、均勻和清晰的小梁結(jié)構(gòu)（紅色箭頭）；鉭涂層和鉭涂層表面的三維EDX分析植入前鈦涂層假體。EDX分析表明，鉭涂層和鈦涂層假體表面新組織的主要成分是鈣、磷和氧。 生物力學(xué)測(cè)試 極限抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析（表2）表明，植入后4、9和15周，Ta涂層假體和Ti涂層假體在同一階段的極限剪切強(qiáng)度沒(méi)有顯著差異（P>0.05，圖5a)；然而，4周和15周Ta涂層假體之間的剪切強(qiáng)度差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P <0.01，圖5b)。 生物力學(xué)測(cè)試后的H&E染色和EDX分析 試驗(yàn)后假體周?chē)M織的H&E染色顯示（圖5c，d）在實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中，假體周?chē)鹿墙M織明顯處于植入后的不同階段，沒(méi)有炎性細(xì)胞聚集或浸潤(rùn)；推出試驗(yàn)使假體和骨界面斷裂；然而，在骨折的骨切片或周?chē)墓撬枨恢袥](méi)有觀(guān)察到涂層殘留物。EDX分析表明，極限剪切應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致涂層損壞和基材暴露（圖5e，f）。 假體植入后的極限剪切強(qiáng)度與拔出試驗(yàn)后的組織學(xué)觀(guān)察和EDX分析的比較。兩組植入后同一階段極限剪切強(qiáng)度的比較（🔺🔺P>0.05）；b Ta涂層的極限剪切強(qiáng)度假體植入后的不同時(shí)間（**P<0.01，🔺🔺P>0.05）；c、d、H和E在推出試驗(yàn)后，分別對(duì)Ta涂層和Ti涂層假體周?chē)慕M織進(jìn)行染色:假體周?chē)×汗堑墓钦酆腿睋p用箭頭表示；骨表面沒(méi)有涂層殘留；e、f除了Ca、P和其他骨組成元素外，Ta或Ti是推出試驗(yàn)后通過(guò)EDX在兩個(gè)假體表面上檢測(cè)到的元素。在兩個(gè)假體表面上沒(méi)有檢測(cè)到基質(zhì)元素Al和V，這表明兩種涂層的結(jié)構(gòu)相對(duì)完整。 涂層粘合強(qiáng)度測(cè)試 劃痕試驗(yàn)后兩種涂層的外觀(guān)發(fā)生了顯著變化；在表面上觀(guān)察到深溝槽和部分涂層損失和剝離，伴隨著基底暴露（圖6a，c）。 當(dāng)金剛石壓頭上的載荷達(dá)到43.54±2.27N時(shí)，鉭涂層剝離，而鈦涂層在17.19±2.04N的正常載荷下開(kāi)始剝離(圖6b，d)。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，導(dǎo)致鉭涂層剝離的正常載荷閾值高于鈦涂層的閾值（P> 0.01，圖6e)。 涂層表面硬度測(cè)試 兩種假體表面硬度HV的統(tǒng)計(jì)分析（圖6f）表明鉭涂層的HV（423.57±7.41）顯著高于鈦涂層的HV（202.86±4.35）。 劃痕試驗(yàn)和涂層表面硬度試驗(yàn)的結(jié)果。劃痕試驗(yàn)后鈦和鉭涂層的a、c形貌變化:b、d曲線(xiàn)顯示了劃痕試驗(yàn)期間聲發(fā)射信號(hào)與鈦和鉭涂層上的載荷之間的關(guān)系；e .不同涂層上正常載荷的閾值（* * P<0.01）；f .鉭涂層和鈦涂層之間的高壓比較（**P <0.01）。 結(jié)論 盡管對(duì)Ta涂層假體的研究仍處于起步階段早期，隨著Ta涂層制備工藝的不斷改進(jìn)，復(fù)合Ta涂層假體將獲得更高的粘合強(qiáng)度和抗疲勞性以及最佳的表面孔隙率，最終在植入后提供令人滿(mǎn)意的假體穩(wěn)定性。 |
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