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钽涂层假体生物力学行为和物理特性的初步研究
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介绍 随着对骨与假体表面间粘附性研究的深入，假体表面的处理方法也越来越多样化。在过去的30年中，涂有各种多孔涂层材料的假体已经广泛用于治疗下述疾病，例如分别代表多孔生物陶瓷涂层和金属涂层的羟基磷灰石【HA，Ca10（PO4）6（OH）2】和钛（Ti）骨科疾病和创伤。大多数产品是通过等离子喷涂或热烧结将HA或Ti金属材料涂覆到不锈钢或Ti金属基材的表面上而制成的。这种涂层在假体表面提供了具有骨传导和骨结合功能的多孔结构，以改善假体和人体组织之间的生物连接。 钽生物材料在医学上的应用始于上世纪中叶。自1997年以来，多孔Ta材料已广泛用于临床矫形手术，例如关节置换、肿瘤切除后的组织重建以及股骨头缺血性坏死和椎体融合的治疗。先前的基础研究和临床观察已经证明了钽金属良好的生物相容性及其优异的化学稳定性和耐腐蚀性。近年来由多孔Ta材料制成的骨小梁金属的弹性模量非常接近人类松质骨的弹性模量，因此该材料更适合用作骨移植物或骨缺损的填充物。 目前临床上使用的“Ta涂层”实际上是复合工艺制备的多个嵌套的Ta复合块或多孔Ta外衬；这些厚的外衬和复合块主要部分用作骨缺损患者的骨移植替代物，它们本质上不是真正的假体涂层。这些多孔Ta组件的机械强度较低，并且由于其厚度通常受到假体机械强度要求的限制，因此无法在正常情况下（非骨缺损情况）用于关节置换。此外，多孔Ta的生产相对复杂且昂贵；因此，用CVD钽蒸气相沉积的方法制备较薄的钽涂层已成为人们感兴趣的方法。 因为理想的涂层关节替代假体不仅整体上具有良好的生物相容性和高机械强度，而且还具有假体表面强度和高涂层粘合强度，以保持表面多孔结构的稳定性并促进骨组织粘附到假体表面和骨生长到其微孔中，从而实现术后假体稳定性。因此，本研究以临床使用的钛涂层假体为对照，研究了Ta涂层的一般物理特性、骨生物相容性和生物力学行为，并初步评估了Ta涂层假体临床应用的可行性。 实验 材料制备 医用Ti-6Al-4V基材用于通过CVD钽蒸气相沉积制造Ta涂层假体和界面机械测试样品。Ta涂层在艾因斯（北京）钽应用科技有限公司进行。假体和界面机械测试样品的基底尺寸分别为3mm×12mm和20mm×3mm，涂层厚度均匀为150 μm；相同的基材和规格用于含Ti涂层的对照。用于涂层粘合强度测试的假体和样品见图1a–d，显示了Ta涂层假体的表面结构。 动物和假体植入 60只雄性新西兰白兔（体重2.8-3.0kg，月龄6个月）。将60只动物分为Ta涂层组和Ti涂层组，每组30只动物。通过边缘耳静脉用2%戊巴比妥注射液（40mg/kg）麻醉动物。手术是在无菌条件下进行的。用直径3.2毫米的钻头在股骨的双侧上髁朝向内侧上髁钻一个孔。将假体放入孔中后，用缝线缝合切口。每只动物每天肌肉注射青霉素400000 U，以避免术后第一周伤口感染。手术后4、9和15周，每组各处死10只动物。含有骨组织样本的假体用90%乙醇固定，用于进一步研究。图1e、f分别显示植入部位和实际手术过程。 植入手术的实验材料和图解。钛合金基底和涂覆Ta和涂覆Ti的假体；b .用于测试基材和不同涂层特性的样品。c .在金相显微镜下观察到的钽涂层的表面结构；黑色区域是Ta涂层的表面孔隙（Ta涂层的2D孔隙率接近30%，通过在图像处理后计算角场的面积比来确定）；用扫描电子显微镜（SEM）观察钽涂层的表面孔隙。e，f假体植入和外科手术的位置。g、h推出试验平台，根据兔股骨髁的尺寸设计。 组织病理学评估 通过切片的组织学染色观察植入假体表面的骨长入和假体-骨界面的形态。 改善了庞索三色染色 在杀死动物后立即切割和收获标本，并在90%的乙醇中固定1周。固定标本用塑料梯度液体处理，制成含有金属植入物的塑料块；然后使用徕卡SM2500硬组织切片机进行切片，获得7μm的切片，然后按以下步骤用庞索三色染色染色：(1)制备染色溶液：(a)苦味酸-橙混合物（1%橙G溶液和饱和苦味酸溶液以1：9的比例混合）；(b)庞索混合物（2% R2庞索在1%醋酸溶液和2%晶体索在1%醋酸溶液的比例混合）；(2)染色程序：(a)玻片在1%磷钨酸溶液中孵育10 min；(b)在1%甲苯胺蓝中孵育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)载玻片干燥后用中性树脂密封；每个孵育步骤后用蒸馏水清洗载玻片。染色切片的颜色为：骨组织为红褐色，骨髓软组织或基质组织为橙黄色，新骨和类骨为蓝色，软骨和钙化软骨为浅蓝色。 苏木精和伊红染色 生物力学测试后，股骨髁标本在4℃的4%多聚甲醛中固定48小时，并在15% EDTA中脱钙2周。然后将标本在自动脱水机中常规脱水24小时，并逐渐通过清洁过程取出，包埋在石蜡中，以4μm的厚度切片，并干燥用于进一步染色。 骨组织的组织形态计量分析 徕卡Q-Win Stander V2.3自动图像分析系统（德国）用于骨的组织形态分析，以确定假体周围骨的向内生长和骨形成。八幅图像（放大倍数1.6*10）的庞索三色染色切片。使用图像处理软件选择假体周围200像素区域内的单个图像区域；使用软件的测量工具计算选定区域中的骨组织量，包括成熟骨、软骨和类骨质。 生物力学测试 测试样品从半径为1.5 cm的假体中心周围的圆形区域收集，并通过使用II型义齿基托树脂连接到预先设计的机械测试平台上。假体的垂直轴与平台表面保持垂直（在机械测试平台的底部制作一个直径为9 mm的孔眼，以确保在推出测试过程中假体可以从组织中推出）。在该推出试验中使用计算机控制的Insttron 6001通用机械测试系统，以0.5 mm/min的加载速度和零起始载荷检测假体上的剪切效应。当植入的假体在持续加载后开始移动时，记录极限剪切强度值。力学测试平台的结构如图1g，h。 粘合强度测试 通过使用WS-2005涂层粘附力自动划痕测试仪（LICTP）在Ta涂覆和Ti涂覆的样品上进行涂层粘附强度的测试。抓头移动2毫米/分钟，最大负载100牛顿，加载速度20牛顿/分钟）。还对涂层结合强度进行了统计比较。 表面硬度测试 在室温下，使用HV-120维氏硬度计（压头载荷5千克，持续时间8秒）测试每个Ta涂覆组或Ti涂覆组的六个涂层厚度为150微米的样品的表面硬度。分析了表面硬度对涂层结构和强度的影响。 扫描电镜观察和EDX分析 扫描电子显微镜（SEM）扫描假体表面并进行EDX分析是同时进行的。检测极限剪切强度测试前后假体表面形态和元素组成的变化。还评估了假体周围骨形成的状态以及骨-假体和涂层-基底界面的剪切效应。 结果 组织病理学评估 改善了庞索三色染色 手术后四周，丽春红三色染色显示实验组和对照组中假体周围骨组织的形成；新骨组织与假体涂层之间的粘附紧密稳定；小梁骨向周围延伸；并且涂层没有松动的迹象（图2a，d）。随着注入时间的增加，新的两组的骨组织和骨小梁数量逐渐增加 组织切片的改良丽春红三色染色。分别在植入后4、9和15周，Ta涂层周围假体周围的a–c长入骨；股骨的向内生长两组患者的骨组织和骨小梁骨数量均逐渐增加 骨组织的组织形态学分析（表1) 随着植入后时间的延长，如图。3a–f和表1这两种假体周围的假体周围骨体积持续增加。图1比较了两种不同涂层假体在植入后不同时间的骨体积分数图3g；结果表明，术后同一时间Ta涂层和Ti涂层种植体的假体周围骨体积分数没有显著差异（P>0.05）。图3h表示植入后不同时间Ta涂层假体骨体积分数的自我控制（P<0.01）；结果表明，植入后15周Ta涂层假体的假体周围骨体积分数显著高于4或9周后。组织病理学结果表明Ta涂层具有良好的假体周围成骨特性，Ta涂层周围的骨体积随着植入后时间的延长而持续增加。 扫描电镜观察和EDX分析 扫描电镜结果清楚地显示，骨组织附着在ta涂层和ti涂层假体的表面分别在植入后4、9和15周钛涂层周围的假体周围与同期钛涂层相比（🔺🔺P>0.05）；比较植入后4周Ta涂层假体的骨体积分数（**P <0.01） 植入的早期阶段（4周）；新组织生长均匀，小梁结构清晰（图4a，b)。假体植入前后的对比EDX分析表明，假体表面生长的组织主要由元素C、O、Ca和P组成（图4c–f)。 骨体积分数的比较。a–c植入后4、9和15周Ta涂层假体周围假体周围的骨体积；d–f植入后4、9和15周钛涂层假体周围假体周围的骨体积；g .植入后4、9和15周两种不同涂层假体的骨体积分数比较（🔺🔺P>0.05）；植入后4、9和15周Ta涂层假体骨体积分数的自我控制（**P <0.01）。 植入前后假体表面的扫描电镜观察和EDX分析图像。植入后4周Ta涂层和Ti涂层假体表面组织的a、b扫描电镜观察；在Ta涂层和Ti涂层植入物的表面上可以观察到一薄层骨组织，具有规则、均匀和清晰的小梁结构（红色箭头）；钽涂层和钽涂层表面的三维EDX分析植入前钛涂层假体。EDX分析表明，钽涂层和钛涂层假体表面新组织的主要成分是钙、磷和氧。 生物力学测试 极限抗剪强度数据的统计分析（表2）表明，植入后4、9和15周，Ta涂层假体和Ti涂层假体在同一阶段的极限剪切强度没有显著差异（P>0.05，图5a)；然而，4周和15周Ta涂层假体之间的剪切强度差异具有统计学意义（P <0.01，图5b)。 生物力学测试后的H&E染色和EDX分析 试验后假体周围组织的H&E染色显示（图5c，d）在实验组和对照组中，假体周围新骨组织明显处于植入后的不同阶段，没有炎性细胞聚集或浸润；推出试验使假体和骨界面断裂；然而，在骨折的骨切片或周围的骨髓腔中没有观察到涂层残留物。EDX分析表明，极限剪切应力不会导致涂层损坏和基材暴露（图5e，f）。 假体植入后的极限剪切强度与拔出试验后的组织学观察和EDX分析的比较。两组植入后同一阶段极限剪切强度的比较（🔺🔺P>0.05）；b Ta涂层的极限剪切强度假体植入后的不同时间（**P<0.01，🔺🔺P>0.05）；c、d、H和E在推出试验后，分别对Ta涂层和Ti涂层假体周围的组织进行染色:假体周围小梁骨的骨折和缺损用箭头表示；骨表面没有涂层残留；e、f除了Ca、P和其他骨组成元素外，Ta或Ti是推出试验后通过EDX在两个假体表面上检测到的元素。在两个假体表面上没有检测到基质元素Al和V，这表明两种涂层的结构相对完整。 涂层粘合强度测试 划痕试验后两种涂层的外观发生了显著变化；在表面上观察到深沟槽和部分涂层损失和剥离，伴随着基底暴露（图6a，c）。 当金刚石压头上的载荷达到43.54±2.27N时，钽涂层剥离，而钛涂层在17.19±2.04N的正常载荷下开始剥离(图6b，d)。从统计数据来看，导致钽涂层剥离的正常载荷阈值高于钛涂层的阈值（P> 0.01，图6e)。 涂层表面硬度测试 两种假体表面硬度HV的统计分析（图6f）表明钽涂层的HV（423.57±7.41）显著高于钛涂层的HV（202.86±4.35）。 划痕试验和涂层表面硬度试验的结果。划痕试验后钛和钽涂层的a、c形貌变化:b、d曲线显示了划痕试验期间声发射信号与钛和钽涂层上的载荷之间的关系；e .不同涂层上正常载荷的阈值（* * P<0.01）；f .钽涂层和钛涂层之间的高压比较（**P <0.01）。 结论 尽管对Ta涂层假体的研究仍处于起步阶段早期，随着Ta涂层制备工艺的不断改进，复合Ta涂层假体将获得更高的粘合强度和抗疲劳性以及最佳的表面孔隙率，最终在植入后提供令人满意的假体稳定性。 |
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