新型TLM鈦合金及涂層骨植入試驗(yàn)的生物相容性觀察

宋 偉，馬 濤，王坤正，姚建鋒，張育民，秦四清，于振濤，王傳文

(1西安紅十字會(huì)醫(yī)院，西安 710054;2西安交通大學(xué)第二醫(yī)院;3西北有色金屬研究院;4商丘市第一人民醫(yī)院)

鈦6鋁4釩合金(Ti-6Al-4V)是目前臨床上最常使用的鈦合金。研究發(fā)現(xiàn)該合金中的釩能夠在生物體骨、腎、肝、脾等器官內(nèi)聚積，其毒性效應(yīng)與磷酸鹽生化代謝相關(guān)，毒性超過鎳和鉻等元素［1］。因此，開發(fā)新型醫(yī)用合金是目前鈦合金研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)［2］。TLM鈦合金是西北有色金屬研究院近年來最新研究的醫(yī)用型新型鈦合金，為考察其生物相容性，2005年1～5月我們對(duì)其致敏、溶血、急性毒性、骨植入相容性等分別進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料 金屬材料分別為Ti-6Al-4V、TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM，均由西北有色金屬研究院提供。制備成光滑圓柱體(直徑=2.0 mm，長(zhǎng)度=6.0 mm)，采用煮沸法滅菌后24 h內(nèi)供動(dòng)物實(shí)驗(yàn)植入使用。動(dòng)物選自西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心健康的中國家兔40只，雌雄各半，體質(zhì)量2 kg。采用動(dòng)物自由進(jìn)飲食方式進(jìn)行飼養(yǎng)。隨機(jī)分為Ti-6Al-4V組、TLM組、含生物涂層的TLM組、含耐磨涂層的TLM組各10只。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 將家兔用2%戊巴比妥鈉按30 mg/kg注射于耳緣靜脈麻醉，取左側(cè)股骨外側(cè)術(shù)區(qū)，備皮，常規(guī)消毒鋪巾。取股骨外側(cè)縱形切口，逐層切開皮膚、皮下，沿肌間隙暴露股骨外側(cè)骨皮質(zhì)，用低轉(zhuǎn)速鉆間歇在骨上鉆孔，鉆頭直徑與樣品直徑一致，均為2.0 mm，確保植入樣品穩(wěn)定。操作時(shí)用生理鹽水充分灌洗，以免過熱使局部組織壞死。鉆孔2個(gè)，間距1.5 cm。將柱狀植入樣品緊密嵌入，逐層縫合肌筋膜、皮下組織、皮膚。術(shù)后肌注青霉素40萬 U，1 次/d，連續(xù)3 d。術(shù)后 1、2、4、8、12 周分別取材，進(jìn)行肉眼觀察、X線檢查、光鏡檢查、掃描電鏡檢查。組織學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16886.6-1997，以炎細(xì)胞反應(yīng)和纖維囊形成組織反應(yīng)分級(jí)，然后根據(jù)組織反應(yīng)分級(jí)情況進(jìn)行結(jié)果評(píng)定。每一期樣品組織學(xué)觀察反應(yīng)程度超過標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)的片子數(shù)不得多于總數(shù)的1/4。

2 結(jié)果

2.1 肉眼大體觀察 術(shù)后家兔飲食規(guī)律，傷口愈合良好，無明顯滲出，植入物與周圍組織無粘連、充血、水腫、壞死或其他異常情況。

2.2 X線檢查 在各觀察周期內(nèi)，TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM與Ti-6Al-4V周圍均無明顯骨溶解、骨吸收、骨異常增生等現(xiàn)象。

2.3 光鏡檢查 TLM植入后1周，其周圍有少量中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞浸潤和巨細(xì)胞反應(yīng)，無材料碎片、脂肪浸潤、肉芽腫及細(xì)胞壞死的表現(xiàn)。依照組織學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［3］，表現(xiàn)為Ⅲ級(jí)炎性細(xì)胞反應(yīng)、纖維囊壁尚未形成。2和4周時(shí)，炎性細(xì)胞反應(yīng)明顯減弱，僅有少量淋巴細(xì)胞浸潤，樣品周圍可見纖維母細(xì)胞、纖維細(xì)胞與膠原纖維，并已形成纖維囊腔結(jié)構(gòu)，囊壁逐漸變得致密，厚度穩(wěn)定且≤0.03 mm，無繼續(xù)增生現(xiàn)象。8和12周時(shí)，樣品周圍無明顯炎細(xì)胞浸潤，纖維囊壁變得更薄、更為致密。在組織學(xué)評(píng)價(jià)上，TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM與Ti-6Al-4V均符合GB/T16886.6-1997評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。所檢材料的每一期樣品組織學(xué)反應(yīng)程度超過標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)片子數(shù)均未多于總數(shù)的1/4，顯示具有良好生物相容性。TLM與Ti-6Al-4V之間無差異，含生物涂層的TLM和含耐磨涂層的TLM則優(yōu)于TLM。

2.4 掃描電鏡檢查 TLM植入后1周，骨組織表面有少量的成骨細(xì)胞及膠原纖維，骨小梁結(jié)構(gòu)較多，薄層板層骨形成，材料表面有成骨細(xì)胞及小的板層骨形成。2和4周后骨小梁和板層骨更多。8到12周后，骨組織和材料表面有大量的板層骨和骨小梁結(jié)構(gòu)，有豐富的成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞。TLM成骨效應(yīng)優(yōu)于Ti-6Al-4V，含生物涂層的TLM和含耐磨涂層的TLM則優(yōu)于TLM。

3 討論

本課題所檢驗(yàn)的新型鈦合金TLM為穩(wěn)定β型鈦合金，是由我國自行研制的第3代體內(nèi)植入用鈦合金。新材料采用鈦、鋯、鉬、錫、鉭及鈮等6種無毒元素制作，相關(guān)測(cè)試證實(shí)具有較好的力學(xué)性能［4］。采用微弧氧化工藝制作的復(fù)相二氧化鈦生物活性涂層明顯改善了合金的生物活性［5］，適用于骨外科、口腔外科等領(lǐng)域制作鋼板、螺釘?shù)葍?nèi)固定器材及關(guān)節(jié)假體、牙種植體等。

材料的生物相容性是評(píng)價(jià)醫(yī)療器械和生物材料必須考慮的問題。良好的生物相容性是決定生物材料能否應(yīng)用于臨床的先決條件［6］。本試驗(yàn)通過對(duì)TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM植入家兔股骨后第1、2、4、8、12 周的肉眼大體觀察、X 線檢查、光鏡檢查、掃描電鏡檢查，對(duì)材料的組織學(xué)、成骨效應(yīng)等進(jìn)行評(píng)價(jià)。在肉眼大體觀察和X線檢查中，TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM與作為對(duì)照的Ti-6Al-4V無明顯差別。在植入早期，材料周圍出現(xiàn)炎性細(xì)胞浸潤，其原因?yàn)?①材料作為異物植入體內(nèi)，植入物微量小分子物質(zhì)滲出刺激組織所引起的非感染性炎癥;②手術(shù)過程引發(fā)的損傷給微生物侵入機(jī)體組織的機(jī)會(huì);③植入物能抑制和吸附補(bǔ)體C3a、C5a，增加多核白細(xì)胞在植入物局部組織中的數(shù)量，使抑制局部炎癥反應(yīng)的能力減弱［7］。2周后炎癥明顯減輕，8周后無明顯炎性反應(yīng)。纖維囊形成是異物進(jìn)入機(jī)體內(nèi)引起機(jī)體對(duì)異物進(jìn)行包裹的病理生理過程，這個(gè)過程的演變依據(jù)材料自身的性質(zhì)而有程度不同的表現(xiàn)，也就是說與材料對(duì)機(jī)體的刺激程度相關(guān)。在組織學(xué)評(píng)價(jià)中，TLM與作為對(duì)照的Ti-6Al-4V無明顯差別，含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM則優(yōu)于TLM。TLM植入后材料表面骨組織附著良好，早期即有成骨細(xì)胞及膠原細(xì)胞附著，骨小梁和板層骨組織形成;8周以后有大量的骨小梁和板層骨形成，豐富的成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞生長(zhǎng)。表明TLM有著良好的成骨效應(yīng)，優(yōu)于Ti-6Al-4V，而含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM則優(yōu)于TLM。

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