3D打印硫酸钡－聚醚醚酮个性化髁突假体用于颞下颌关节重建的实验研究

林凯 张哲儒 丁明超 邵小夕 田磊 段峰

颞下颌关节是人体既能滑动又能转动的左右双侧联动关节，其运动规律复杂，解剖结构独特［1－2］。当患有严重的颞下颌关节骨关节病、关节强直、髁突粉碎性骨折等病变时，颞下颌关节重建是最有效治疗方法［3－4］。目前，颞下颌关节重建方法有自体肋骨－肋软骨移植、钴铬钼合金假体植入、超高分子量聚乙烯假体植入等，但上述方法存在再次发生强直的风险、与骨力学性能差距大、潜在的细胞毒性等问题，难以满足颞下颌关节重建后长期正常行使功能的要求［5－8］。

近三十年来，聚醚醚酮（poly-ether-ether-ketone，PEEK）作为一种新型高分子材料，由于其具有良好的生物相容性、与骨骼相近的弹性模量、不易老化等优点，在骨科、神经外科和口腔科等领域逐渐得到推广［9－10］。但PEEK材料是否能适应颞下颌关节特殊的运动规律和应力变化仍存在疑问和争议；纯PEEK材料具有绝对X线透射性，难以通过X线检查植入物固位情况，为术后评估假体位置和手术效果带来了困难。本研究将质量分数为3%的硫酸钡（BaSO4）与PEEK材料均匀混合形成硫酸钡－聚醚醚酮（Ba-PEEK）复合材料，增强其X线阻射性；并评估应用3D打印Ba-PEEK制作的个性化髁突假体进行颞下颌关节重建的安全性和实验动物口颌功能恢复情况，旨在为将来Ba-PEEK材料在颌骨重建中的临床应用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 基本材料

1.1.1 Ba-PEEK材料制备 Ba-PEEK材料基本要求为BaSO4的质量分数为3%，用于3D打印制造的个性化下颌髁突假体材料符合《YY-T 0660-2008外科植入物用聚醚醚酮（PEEK）聚合物的标准规范》。

1.1.2 实验动物 12月龄雄性健康比格犬（常州贝乐实验动物养殖有限公司）8只，体重9.5～10.5 kg。

1.2 方法

1.2.1 比格犬分组 将比格犬随机平均分为两组（n＝4）：对照组，仅予以切开缝合暴露关节腔，不植入任何材料，术后1个月取材观察结果；实验组，比格犬右侧下颌髁突植入Ba-PEEK3D打印个性化假体，分别于术后1、3、6个月取材。

1.2.2 3D打印Ba-PEEK材料颞下颌关节髁突假体制备 麻醉显效后对每条比格犬拍摄高精度全头颅CT（西门子，德国）。获取 Dicom数据后，应用Mimics 19.0（Materialise公司，比利时）软件对每条比格犬的右侧颞下颌关节进行重建，重建完成后，将Mimics软件生成的.mcs文件直接导入Proplan 2.1（Materialise公司，比利时）软件中，根据计划进行虚拟手术，设计截骨线。根据截骨位置，设计个性化髁突假体形态和截骨导板。3D打印制作个性化髁突假体、截骨导板和就位导板并抛光处理，进行高温高压灭菌后待用。

1.2.3 下颌髁突置换手术 全身麻醉后显效后，自耳屏前至下颌中份切开皮肤、皮下、筋膜层，暴露下颌骨升支，向上剥离筋膜组织，直至暴露颞下颌关节关节囊。切开关节囊，钝性分离显露髁突和关节盘；固定截骨导板后用来复锯截除下颌髁突；完善止血后应用就位导板辅助个性化髁突假体就位，钛钉（西安中邦钛生物材料有限公司）固定；冲洗创面，逐层关闭创口。实验组比格犬均进行上述手术操作。对于对照组比格犬，术中仅切开关节囊，立即进行缝合操作，不破坏颞下颌关节的骨性结构，作为空白对照组。术后应用碘伏消毒创面，术后3 d内每天给予肌注头孢呋辛钠0.5 g/次、安痛定0.5 g/次。术后5 d内软食饲养，减轻口颌系统负担。

1.2.4 CT检查 每组比格犬在术后和取材前每个月均拍摄全头颅CT，用于检测植入物在动物体内的固位等等情况。

1.2.5 口颌系统功能测试 进食速率检测：禁食禁水8 h喂食直径为1 cm，长度为1.5 cm香肠，每次将相同标准的25段香肠放置在15 cm×15 cm×10 cm的金属碗中。分别在假体植入前、植入后1、3、6个月对所有未取材的植入髁突假体的实验犬测试进食速率，每次每条犬测试3次。

主动张口度检测：禁食禁水8 h后，通过诱导比格犬主动啃咬涂抹肉汁的不同直径（D＝8、10、12 cm）的金属棒从而测得最大主动张口度。分别在假体植入前、植入后1、3、6个月对所有未取材的植入髁突假体的实验犬测试主动张口度，每次每条犬测试3次。

1.2.6 组织形态学检查 每组比格犬均以相同手术入路显露手术侧关节区，要求在处死半小时内完整取出颞下颌关节盘等组织，记录组织的颜色及状态并固定在4%多聚甲醛溶液中。2～3 d后，在10%乙二胺四乙酸溶液（EDTA）中脱钙，乙醇系列脱水，石蜡包埋，制作切片。将切片用苏木精－伊红染液（HE）染色，光镜下观察并采集照片进行对比分析。

1.3 统计学方法

应用 SPSS Statistics25.0（IBM Co.，U.S.）软件进行统计学分析。采用独立小样本平均数t检验分析方法，对实验采集数据进行比较分析。当P＜0.05时认为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 术后比格犬的一般情况

实验比格犬均未发生意外死亡，手术创口均愈合良好，无红肿及感染症状，无植入物移位、暴露，无全身不良反应等。

2.2 CT检查

对不同时间段获取的实验动物CT数据进行分析，3D打印的Ba-PEEK个性化髁突假体植入后固位良好，无移位、无断裂；植入物与周围组织界线清晰，手术侧关节窝及下颌骨均未发现明显影像学变化。3D打印Ba-PEEK个性化髁突假体植入后6个月仍固位良好，关节窝骨皮质连续性好，假体与下颌骨接触区骨质光滑，未见异常（图1）。

A：双侧髁突截面；B、C：CT三维重建结果，其中绿色为Ba-PEEK髁突假体，其余为实验犬正常骨组织图1 验组比格犬术后6个月CT图像A：Bilateral condyle cross section；B，C：CT 3D reconstruction，in which green shows Ba-PEEK condyle prosthesis and the rest shows normal bone tissue of experimental dogsFig 1 CT images of experimental animals 6 months after operation

2.3 口颌系统功能检测

实验组比格犬进食特制香肠的速率与术前相比无统计学差异（P＞0.05）。实验组比格犬的主动张口度与术前相比平均值无统计学差异（P＞0.05）（表1～2）。

表1 实验组比格犬不同时间点进食速率的比较Tab 1 Comparison of feeding rate of Beagle dogs in experimental group at different time points

表2 实验组比格犬不同时间点主动张口度的比较Tab 2 Comparison of active mouth opening of Beagle dogs in experimental group at different time points

2.4 组织形态学观察

2.4.1 颞下颌关节区组织形态学观察结果 大体观察：对照组关节区组织瘢痕不明显，颜色正常，未见其他异常；1月实验组关节区组织内可见纤维组织增生，组织层次不清，关节盘整体厚度未见明显异常；3月实验组关节区组织内可见愈合瘢痕，组织层次基本正常，关节盘未见明显异常；6月实验组关节区组织内愈合瘢痕不明显，组织层次清晰，关节盘未见明显异常（图2）。

图2 各组颞下颌关节区组织学观察（HE）Fig 2 Histological observation of temporomandibular joint tissues of the groups（HE）

2.4.2 关节盘组织学观察 对照组，光镜下细胞分布均匀，未见炎细胞浸润，未见细胞形态改变。1月实验组，可见成纤维细胞增多，未见细胞形态改变，可见炎细胞浸润。3月实验组，可见新生纤维，细胞形态未见异常改变，可见少量炎细胞浸润。6月实验组，关节盘组织内炎细胞数量基本正常，未见其他异常（图3）。

图3 各组比格犬手术侧关节盘组织学观察（HE）Fig 3 Histological observation of articular disc of Beagle dogs in the groups（HE）

3 讨 论

PEEK材料因具有良好的生物相容性，与人皮质骨相接近的弹性模量等优点被逐渐应用于医学领域，近年的研究还发现PEEK材料的耐磨性和耐老化性优于超高分子聚乙烯［11］，可能更适合关节的重建。目前，PEEK作为一种新型的高分子材料，PEEK材料在颞下颌关节置换中的应用也有零星的报道，但至今尚缺乏大规模的临床数据［12］。此外，由于PEEK材料具有X线透射性，PEEK假体植入后的影像学观察较为困难。

本研究中，首次制作了BaSO4粉末和PEEK粉末混合制备的Ba-PEEK材料，制作3D打印的下颌髁突假体进行比格犬的颞下颌关节重建。Ba-PEEK是在PEEK中均匀混合了质量分数为3%BaSO4微米级粉末，既能够在X线检测下显示植入物的形状，又不会产生影响影像学精度的X线衍射及伪影，更有利于以后的临床应用。

半关节置换，即仅将病变的关节窝或髁突切除后进行人工材料替代。相对而言，保留关节盘的关节重建中［13］，半关节置换对植入物材料本身的要求更高。因此在本研究中，为探究更严格条件下Ba-PEEK材料应用的可行性，设计了半关节置换实验，仅对髁突进行切除和个性化重建，并保留关节盘以观察Ba-PEEK髁突假体对关节区组织的影响。

综上所述，本研究对3D打印Ba-PEEK个性化颞下颌关节假体置换进行了初步的动物实验研究，初步验证了该材料作为颞下颌关节植入物时的安全性和有效性，并能够基本恢复正常的颞下颌关节生理功能，是一种有前景的生物医用材料。但是，本研究中仍然存在一些不足之处，本材料是否能够应用于人体以解决患者病痛仍需要进一步实验研究。