兔骨内激光快速成型纯钛的植入*

朱娟芳，田雪丽，杨文丽，田丽萍，陈 静，高 勃

1)郑州大学第一附属医院口腔医学中心 郑州450052 2)西北工业大学凝固技术国家重点实验室 西安710072 3)第四军医大学口腔医院修复科西安710032

钛及钛合金具有优良的物理机械性能、良好的化学稳定性、耐腐蚀性、优良的生物相容性以及价格低廉等优点，在牙科的应用越来越广泛。激光快速成型(laser rapid forming，LRF)技术是20 世纪90年代出现的一种先进的金属零件制造技术，该项技术是将快速成型技术和激光涂覆技术有机结合起来的产物。该加工方法制作过程不需要模具，特别适合于需要根据不同病例特点的柔性制造，对于不同患者只需要改变CAD 模型即可，具有加工速度快、节约材料、制造试件不受复杂形状限制等优点。目前LRF 主要用于制造业领域［1-6］。该课题组利用LRF技术制造了纯钛(pure titanium，Ti)种植体的性能测试试样，准微观组织为细密网篮状组织，具有更好的生物力学相容性［7］。人工种植体与天然人体器官有着本质上的区别，要使植入体发挥良好的功能，关键在于植入体与相邻组织形成良好的界面结构［8］。界面的结构性质受多种因素的影响，尤其是受种植材料与骨组织的生物相容性和力学相容性的影响［9］。因此在LRF Ti 材料用于人体之前，需要通过活体动物研究材料植入后的周围组织反应、植入体和骨组织界面的情况以及界面结合的牢固程度。该研究应用活体动物骨内埋植实验，从界面的组织学和生物力学角度，进一步探讨LRF Ti 用作种植体时对骨的生物学作用及机制。

1 材料与方法

1．1 试样及制备 将LRF Ti［7］(西北有色金属研究院)加工成两种规格的试样(图1A)。圆柱状试样(A 型):直径2 mm，高6 mm;圆柱状加帽试样(B型):直径2 mm，高6 mm，帽的部分直径4 mm、高2 mm，在帽的部分沿直径方向打一直径1 mm 的孔，利于钢丝穿过。每种规格试样各12个。试样采用丙酮超声清洗10 min，无水乙醇洗5 min，去离子水洗5 min，高温高压消毒备用。工业纯钛［7］(CP Ti，西北有色金属研究院)作为对照，加工出相同规格和数量的试样。

1．2 实验动物及设备 健康兔12只，体重2．5～5．0 kg，雌、雄各6只，由第四军医大学动物实验中心提供。按照第四军医大学实验动物保健和使用指南，在标准化条件下进行喂养。实验通过动物伦理委员会的批准，周期为4 周。万能材料实验机(日本岛津)，扫描电镜(JSM-640，日本电子公司)，X 射线机(美国热电公司)。

1．3 试样的植入 戊巴比妥钠全身麻醉兔，预防性抗生素皮下注射。于兔股骨外侧剪毛，手术区消毒。纵向切开兔股骨外侧面，逐层切开并分离皮肤、皮下组织、肌肉、骨膜。用钻(2 000 r/min)在骨皮质上钻孔，穿透一侧骨皮质到达骨髓腔，同时用生理盐水冷却。每侧肢体制备2个孔，孔间距大于8 mm，孔直径为2 mm。在动物左右肢体的同一位置处，一侧放置试样，对侧放置对照试样。指压将试样插入孔内，A 型种植体的上端与骨面平齐，B 型种植体的帽状部分下端与骨面平齐，帽状部分暴露在骨皮质外面(图1B)。逐层缝合肌筋膜、皮下组织及皮肤。

图1 试样(A)及其骨埋植(B)

1．4 观测指标

1．4．1 一般观察 术后观察动物并记录任何异常发现:局部反应和异常行为。4 周后，用过量戊巴比妥钠处死动物。立即取下含有植入体以及周围组织的组织块标本。

1．4．2 X 射线观察 用X 射线机对所有组织块标本拍摄X 射线片，观察植入体周围的骨组织情况。

1．4．3 病理组织学观察 植入体以及周围组织经体积分数10%的甲醛固定后，将组织块修整成小块，每块含有一颗种植体。再用体积分数10%的甲醛固定，用脱钙剂(硝酸)脱钙1 周，常规系列乙醇脱水，石蜡包埋。垂直植入体长轴进行连续切片，HE 染色，光学显微镜下组观察并照相，进行组织学分级。

1．4．4 扫描电镜观察 将种植体组织块样本按常规方法制作成扫描电镜标本，进行扫描电镜观察。

1．4．5 种植体生物结合力测试 对种有B 型种植体的动物，切取包含植入体及其周围组织的组织块，将组织块表面磨平，与种植体垂直。放入实验夹具内。在种植体帽状部分的孔内穿入钢丝，用万能材料试验机将种植体从骨内拉出，速度1 mm/min，记录载荷值。

2 结果

肉眼观察LRF Ti 和CP Ti种植体周围软组织均无红肿等炎症反应，种植体均无松动。X 射线片(图2)可见:LRF Ti 和CP Ti种植体周围的骨组织连续，无骨吸收现象，骨组织与种植体接触紧密。组织切片(图3)可见:植入体挤压就位植入4 周后的LRF Ti种植体骨界面愈合形式与CP Ti 植体完全相同，组织排列正常，无炎症反应，无骨吸收。扫描电镜(图4)下可见种植体与骨组织界面之间有骨细胞突和骨胶原纤维，在骨松质区，可见成纤维细胞和成骨细胞突、骨小梁伸向氧化膜的表面。B 型LRF Ti种植体界面的剪切力为(31．94±5．48)N，CP Ti 为(30．63 ±4．26)N，差异无统计学意义(t=0．469，P=0．651)。

图2 术后4 周LRF Ti种植体(A)和CP Ti种植体(B)组织块X 射线片

图3 术后4 周骨界面病理组织学观察(HE，×200)

图4 术后4 周骨界面扫描电镜图(×5 000)

3 讨论

金属植入体植入人体内后，要承受生物力的作用，种植体将生物力传递到周围硬组织中，实现这一功能的生物学基础是种植体与周围骨组织之间形成良好的界面形态，而骨界面的力学性能是功能基础。种植牙周膜结合界面是指种植体与周围骨组织形成类似牙周膜的纤维附着，目前还未见到可靠的类似天然牙周膜的种植牙周膜。愈来愈多的研究［10-12］认为:骨结合界面最容易达到种植义齿的长期成功。

植入体植入人体后，作为一个外来物，对局部和全身均产生一定的影响。种植材料与骨组织的相互作用即种植体骨界面的愈合机制对种植材料的功能以及种植体的预后有着极其重要的意义，种植体表面的最初性状决定了蛋白质吸附的种类和数量，从而影响宿主细胞和材料表面的结合状态［13］。Ti 由于极易在表面形成氧化膜TiO2，表现为一种惰性的界面状态。该氧化膜起到了有机组织与无机种植体的转换层作用。TiO2可部分形成一种TiOOH 基质，该基质可能能抑制超氧产物在炎症中的产生，进而阻止氢氧根离子的释放，使Ti 系种植体在植入区组织中保持稳定的相容关系［9］。Petzold 等［14］认为Ti种植体表面的显微结构能够影响表面的润湿性，从而影响与宿主的界面接触和早期血浆蛋白的生物反应。有良好润湿性的表面结构会促进种植体植入后与宿主组织的早期接触，极大提高亲和性。CP Ti由于优良的生物相容性而广泛应用于生物医学领域，故该研究以CP Ti 作为对照。

该研究结果表明，种植体与骨组织界面之间可以见到骨细胞突和骨胶原纤维，在穿越骨松质区，可见成纤维细胞和成骨细胞突、骨小梁伸向氧化膜的表面。说明植入体TiO2膜与机体组织的交界面不是处于静止的接触关系，而是通过活跃的化学反应形成机械性和化学性的复合结合状态。

将种植体从周围骨组织中拉出，所测量的是种植体与周围组织之间的剪切力，可以间接反映在特定的时间点种植体与周围组织之间的结合强度。该研究中，LRF Ti 和CP Ti 均采用光滑表面，因此表面性状是一致的，将两者的界面结构和生物结合强度进行对比是有意义的。该实验中，LRF Ti 和CP Ti种植体界面的剪切力差异无统计学意义，说明LRF Ti 与CP Ti种植体与骨组织有相同的结合强度。

综上所述，LRF Ti 有良好的骨组织相容性，能够在动物体内形成良好的骨结合。

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