用于股骨颈骨折早期干预治疗的新型镁金属支架的生物降解行为及其有限元分析研究

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股骨颈骨折是一种临床上常见的骨折，约占全部骨折的3.58％，占股骨近端骨折的50％，其术后的骨折不愈合率和股骨头缺血坏死率较高，这也是其治疗上所面临的主要问题，日益受到临床医生的重视。迄今为止，虽然股骨颈骨折的治疗方法不断完善，但是，由于受多种因素的影响，它的治疗及结果等许多方面仍遗留有许多尚未解决的问题。我院采用一期游离髂骨移植结合三枚空心螺钉固定方法对股骨颈骨折进行早期干预治疗，取得了较好的效果。有限的临床经验证明，此方法具有手术操作简单、创伤小等优点;同时，一期植骨的稳定性好，提高了骨折愈合率，并有助于预防远期股骨头坏死，不失为临床治疗股骨颈骨折的一种有益选择。为了避免手术取骨所造成的损伤和并发症，我们进一步研究使用镁金属支架来代替游离植骨，这种材料能在体内逐渐降解，同时诱导周围新骨生成。为了更好地评价此种支架的腐蚀行为与生物力学特性，为其优化设计和临床应用提供理论依据和必要的参考，本课题系统研究了这种新型的经微弧氧化处理的镁材料在体外模拟生理环境中的降解行为，初步探索了镁离子对成骨细胞生物学行为的影响及其作用机制，并利用有限元分析法建立新型镁支架干预治疗股骨颈骨折的模型，系统研究了金属支架在正常步态周期中的应力变化规律，并与骨移植干预治疗的方法进行了对比分析。
　　第一部分经微弧氧化处理的新型镁金属材料的体外降解行为和细胞相容性研究
　　目的:通过在体外模拟生理环境中的电化学试验和浸泡试验，对经表面微弧氧化处理的新型镁材料的腐蚀行为进行系统的研究，并采用拉伸试验对材料在与模拟体液接触过程中的力学性能变化进行检测。此外，对材料在腐蚀过程中的细胞毒性进行评价。
　　方法:将纯镁试样和经表面微弧氧化处理的镁试样分别浸泡于模拟体液中，用于浸泡的溶液量与试样表面积之比均为30ml/cm2。所有试样在试验前先称重并做记录。实验过程中，温度保持在37±0.5℃，液体的pH值维持在7.4左右。分别在浸泡后的6小时、1天、3天、7天、14天和30天取出试样，利用扫描电镜观察，结合能谱分析和XRD衍射分析对比研究两种试样的腐蚀形貌及其产物成分、降解速度变化和对溶液pH值的影响，并通过电子万能试验机对试样进行拉伸检测，计算材料的抗拉强度，比较不同试样的抗拉强度随腐蚀时间变化的情况。另外，分别以两种试样作为工作电极，利用电化学工作站对样本的电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化曲线进行测试，绘制材料的Nyqiust曲线和极化曲线。最后，对Saos-2细胞进行体外培养，利用MTT法、免疫荧光染色技术检测不同材料浸提液对成骨细胞增殖活性和细胞凋亡的影响。使用SAS9.1统计软件对实验数据进行统计学处理，设P＜0.05为差异具有统计学意义。
　　结果:在模拟体液中，经微弧氧化处理的镁金属的腐蚀速率远低于镁金属(P＜0.05)，其对液体pH值的影响也小于镁金属，在72h内从最初的7.4快速上升并稳定在了8.3左右，而镁金属可使溶液的pH值达到约9.1的最高值。两种镁金属表面的腐蚀产物主体成分均为Mg(OH)2和羟基磷灰石。再者，微弧氧化处理可明显降低腐蚀过程中镁金属力学强度的损失，在SBF中浸泡30天后，材料的拉伸强度仍能保持原强度的90％。另外，阻抗频谱和动电位极化曲线也验证了经微弧氧化处理的镁金属的耐腐蚀性要高于镁金属。细胞毒性的分析结果表明，微弧氧化处理前后的镁金属均无明显细胞毒性，具有良好的细胞相容性。
　　结论:微弧氧化处理可提高镁金属的耐腐蚀性，有利于维持其原有的力学性能，并且材料具有良好的细胞相容性，表面腐蚀产物羟基磷灰石的存在可提高材料的骨结合能力。
　　第二部分镁离子对成骨细胞生物学行为的影响及其作用机制初探
　　目的:采用人成骨细胞，研究镁离子对细胞增殖及其主要生物学行为的影响，并对其机制进行初步探讨。
　　方法:对Saos-2细胞进行体外培养，将1mmol/L、2mmol/L和3mmol/L三种浓度MgSO4作用于成骨细胞，通过MTT法、免疫荧光染色技术检测不同因子对成骨细胞增殖活性和细胞凋亡的影响，并利用ELISA法测定不同因子对成骨细胞ALP活性及骨钙素合成等主要生物学特性的影响。另外，借助ELISA法，测定1mmol/L、2mmol/L和3mmol/L三种浓度MgSO4对成骨细胞Runx2和Fas表达的影响。使用SAS9.1统计软件对各实验的数据进行统计学比较，设P＜0.05为差异具有统计学意义。
　　结果:不同浓度的镁离子均可促进成骨细胞的增殖(F=44.77，P＜0.0001)，这种刺激作用与镁离子的浓度和作用时间均呈正相关。荧光染色结果显示经镁离子作用后细胞的活性良好。并且，不同浓度的镁离子均可促进成骨细胞的碱性磷酸酶活性和骨钙素合成(P＜0.05)，这种刺激作用也与镁离子的浓度和作用时间均呈正相关。另外，不同浓度的镁离子，在不同时间点均可刺激成骨细胞RUNX2的表达，这种刺激作用与镁离子的浓度和作用时间呈正相关。而镁离子作用组的成骨细胞Fas表达量均明显低于正常对照组（F=16.97，P＜0.0001），并且，Fas的表达量与镁离子的浓度呈负相关。
　　结论:镁离子可促进成骨细胞的增殖以及ALP和BGP的合成，其机理可能与调节细胞Runx2和Fas的表达有关，一方面镁离子可通过促进细胞Runx2表达，来刺激成骨细胞的分化和成熟;另一方面，还可通过Fas途径抑制成骨细胞的凋亡，从而维持细胞的增殖与活性。
　　第三部分镁金属支架干预治疗股骨颈骨折有限元模型的建立及其在正常步态周期中的力学分析研究
　　目的:建立使用镁金属支架干预治疗股骨颈骨折的有限元模型，研究支架植入后，在正常步态周期中股骨颈部的应力变化规律，为这种新型金属支架的评价和优化提供有益的理论依据，进而指导其临床应用。
　　方法:选取一名健康成年男性志愿者，对其髋关节及股骨中上段进行CT扫描，获得二维断层图像数据，使用Mimics10.01软件对图像进行处理、提取及重建，得到股骨三维模型，然后将模型导入到Ansys13.0有限元分析软件中，进行体网格划分，生成股骨三维有限元模型，并进一步模拟建立了使用金属支架干预治疗股骨颈骨折的有限元模型。设定边界和载荷条件，对模型进行生物力学分析。使用SAS9.1统计软件对实验数据进行统计学比较，设P＜0.05为差异具有统计学意义。
　　结果:首先，建立了准确有效的股骨中上段的三维有限元模型以及金属支架干预治疗股骨颈骨折的有限元模型。进一步的分析表明，正常步态周期中骨折固定模型在股骨颈局部的Von Mises应力变化规律与正常股骨模型相似，并且两者的各期应力值以及位移之间均无显著差异(P＞0.05)。分析还表明，正常步态各期中，骨折固定模型在各个方向上的位移变化规律大致相同，均取决于髋关节作用力的大小，各轴向最大位移均出现在髋关节作用力最高的第二期。
　　结论:本研究建立的股骨三维有限元模型准确有效，为后期的相关实验奠定了基础。另外，松质骨螺钉固定合并金属支架干预治疗股骨颈骨折不仅恢复了骨折部位应力传导的连续性，而且可获得较好的抗压、抗扭转和抗剪切稳定性，对其临床应用具有指导意义。
　　第四部分镁金属支架和骨移植干预治疗股骨颈骨折生物力学的有限元对比研究
　　目的:利用有限元法分析镁金属支架和骨移植在股骨颈骨折干预治疗中的应力分布规律，并与临床常用的单独三枚松质骨螺钉固定的方法进行比较。此外，还要对金属支架放置的角度进行研究。通过此实验有助于全面认识这种新型治疗方法的生物力学特点，为其临床应用提供理论指导。
　　方法:建模的方法和过程以及材料属性同第三部分实验，分别建立镁金属支架和骨移植干预治疗股骨颈骨折的三维有限元模型，将金属支架或骨移植的植入角度分别设置为95°和127°。另外，还建立了单独三枚松质骨螺钉治疗股骨颈骨折的有限元模型。设定边界条件以及426 N和2158N两种载荷，对模型进行生物力学分析。使用SAS9.1统计软件对实验数据进行统计学比较，设P＜0.05为差异具有统计学意义。
　　结果:分析表明，使用金属支架或骨移植对股骨颈骨折进行干预治疗与单纯多枚螺钉固定相比，骨折局部所受的应力水平和产生的位移均无明显差异。另外，对于金属支架或骨移植而言，植入角度的改变并不会对骨折局部的应力产生显著影响，而且使用不同材料的模型之间所受应力和各轴向位移均无显著差异。
　　结论:可见，松质骨螺钉固定合并金属支架干预治疗股骨颈骨折同样可获得良好的骨折稳定性，而支架的植入角度可根据情况进行适当地调整，再结合镁金属所固有的自身优势，所以它对于股骨颈骨折的干预治疗是一个值得推荐的选择。

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作者
马文辉;
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作者单位

河北医科大学;

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授予单位河北医科大学;
学科外科学
授予学位博士
导师姓名张英泽;
年度 2014
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正文语种中文
中图分类下肢骨折;
关键词
成骨细胞; 股骨颈骨折; 有限元分析; 干预治疗; 镁金属支架; 生物降解;

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