微孔涂層假體與骨界面的疲勞行為

微孔涂層假體與骨界面的疲勞行為

由骨組織長出微孔，使固體和骨組織在生物范圍內(nèi)相互分離和固定，并隨著時間和壓力水平的變化而改變和修復。它比用專用粘土修復的人工傷口好。在人體負荷過程中，樣品的應(yīng)力通過界面?zhèn)鬟f給骨組織。臨床上經(jīng)常報告體制改革和廢除。對骨和微芯片界面的微觀機制研究在國際上沒有報道。在本實驗中，使用了帶有故障平臺的掃描電鏡，以觀察界面的疲勞過程。報告如下。1.1鈦合金泰斯基尼pci1.2牛骨骼形態(tài)bmp與pci結(jié)合1.3動物測試和組成1.4生物力學樣品的制備每時間組中取PCI及BMP/PCI各2枚,真空鍍膜臺中,將骨與涂層界面鍍金.1.5疲勞試驗2結(jié)果2.1骨組織膠原纖維斷裂產(chǎn)生機理靜態(tài)加載250N,最小0N,界面平均峰值應(yīng)力0.91MPa,加載速率為9.7N/s.在30次時,界面近側(cè)裂紋出現(xiàn),向遠側(cè)迅速擴展.裂紋迅速張大并脫開.將微孔外1/3部分骨組織拉出產(chǎn)生膠原纖維斷裂.2.2紋周圍碎化靜態(tài)加載:245N,界面無損傷.動態(tài)載荷:最大200N,最小0N,界面最大平均應(yīng)力0.9MPa.加載速率302.9N/s,共10000次.在3000次時,微孔內(nèi)骨組織首先形成微細裂紋,寬5～8μm.裂紋逐漸加寬,在微孔內(nèi)骨組織逐漸出現(xiàn)眾多微細裂紋,導致骨組織逐漸碎化.4000次時,在界面近端外側(cè)骨組織出現(xiàn)不連續(xù)斜形裂紋,向界面延伸,裂紋周圍亦碎化.7000次時;在界面近側(cè)出現(xiàn)縱行微細裂紋,裂紋周圍出現(xiàn)縱向平行排列的骨紋理改變.界面形成溝狀紋理.10000次時:界面微孔粒子表面板層骨碎化,粒子裸露.動載荷:最大300N,最小0N,界面平均峰值應(yīng)力1.36MPa.加載速率269.30N/s,共5000次.在500次時:微孔內(nèi)骨組織碎化,近側(cè)界面外側(cè)裂紋擴大加速.1000次時,界面遠側(cè)縱行溝狀紋加深并增多.微孔內(nèi)骨組織內(nèi)陷、微孔粒子突出,形成浮凸感.3000次時,遠側(cè)界面溝狀紋繼續(xù)深化,界面出現(xiàn)縱形裂紋,微孔外1/3骨組織斜向排列.5000次時,微孔內(nèi)骨組織完全碎化,出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象.動載荷:最大410N,最小0N.界面平均最大應(yīng)力1.86MPa.加載速率25.130N/s,共2918次.在2918次時,遠側(cè)界面因板層骨粘合線開裂而出現(xiàn)平行斜線裂紋.在斜行裂紋稍外側(cè)縱向溝狀紋加深.在裂紋中可見拉伸狀纖縱結(jié)構(gòu).在2000次時,界面溝狀紋加深更加顯著,溝狀紋骨組織趨于分離,界面縱形溝狀紋形成主裂紋,主裂紋邊緣鈍化.在2918次時,沿界面斷裂,界面鍍金層破壞,因電荷積存而呈白斑狀.主裂紋最終由縱行溝紋加深形成,邊緣骨組織粘合線廣泛分離,邊緣鈍化,且有散在碎屑樣物沉淀.2.3骨小梁界面缺陷型靜態(tài)加載:250N,界面無改變.動態(tài)載荷:最大220N,最小0N.加載速率145N/s,平均界面峰值應(yīng)力:1.0MPa,共2000次.界面近側(cè)出現(xiàn)縱形裂紋,沿骨小梁薄弱部位向上延伸.界面邊緣骨小梁拉伸斷裂,加載卸載過程中可見裂紋張開,不全閉合.裂紋邊緣有纖維狀物.由于界面出現(xiàn)裂紋微孔粒子裸露,表面有膠原纖維包裹形成套,并廣泛斷裂.骨小梁在拉伸疲勞過程中產(chǎn)生損傷積累,粘合線廣泛分離,板層骨斷裂.動載荷:最大330N,最小0N.平均界面峰值應(yīng)力:1.5MPa,3次.加載速率101.45N/s.模型遠側(cè)與疲勞臺接頭處斷裂.近側(cè)界面出現(xiàn)縱行裂紋,向遠側(cè)迅速擴展,裂紋中有平行排列的膠原纖維,向微孔內(nèi)延伸,將微孔粒子包繞.膠原纖維周圍有碎化物.2.4界面微觀缺陷靜態(tài)載荷:250N,界而無變化.動態(tài)載荷:最大220N,最小0N,界面平均峰值應(yīng)力1.0MPa,加載速率:145N/s.在100次時,界面近側(cè)出現(xiàn)裂紋,在疲勞加載卸載過程中裂紋張開,不全閉合.裂紋尖端逐漸向遠側(cè)延伸.在2500次時,界面遠側(cè)出現(xiàn)縱行微細裂紋,微孔內(nèi)骨小梁亦出現(xiàn)條紋.動載荷:最大330N,最小0N.界面平均峰值應(yīng)力:1.5MPa,加載速率:145N/s.在1000次時,最終模型遠側(cè)與疲勞臺接頭處斷裂.近側(cè)界面裂紋加大,張開-不全閉合十分明顯,微孔內(nèi)裂紋亦出現(xiàn)張開不全閉合.遠側(cè)微孔內(nèi)骨小梁條紋增多,粒子結(jié)合頸間組織斷裂.界面形成縱向微細裂紋.3界面損傷機制四種處理代表了微孔內(nèi)四種不同的骨改建狀態(tài).1月PCI微孔內(nèi)為初級編織骨.界面尚有間隙,2月PCI在界面已形成成熟骨小梁結(jié)構(gòu),微孔內(nèi)卻為成熟編織骨.1月BMP/PCI微孔內(nèi)為板狀骨單位,未改建成骨小梁結(jié)構(gòu).2月BMP/PCI微孔內(nèi)形成成熟骨小梁結(jié)構(gòu),與界面外側(cè)骨小梁相延續(xù).而四種微孔內(nèi)骨組織改建狀態(tài).代表了四種不同的疲勞過程.PCI1月:由于微孔內(nèi)為初級編織狀骨,0.91MPa界面疲勞載荷30次即產(chǎn)生松動.微孔涂層的人工髖關(guān)節(jié)界面強度為0.91MPa可以防止假體下沉,亦類似緩慢行走.試驗表明:1月未復合BMP的微孔涂層的人工髖關(guān)節(jié)在人體不足以承受體重及行走.PCI2月:界面骨組織為成熟骨小梁結(jié)構(gòu),微孔內(nèi)為成熟編織骨.1.0MPa疲勞載荷,2000次,微孔內(nèi)骨組織無顯著改變.沿界面骨小梁積累損傷,骨小梁在拉伸疲勞載荷下表面為板層骨廣泛分離,粘合線分裂,板層骨斷裂最終形成主裂紋.當增加載荷至1.5MPa時,由于模型損傷而中止試驗,但運行3次已發(fā)現(xiàn)界面近側(cè)裂紋迅速增大,并可見許多膠原纖維連于裂紋兩側(cè),將微粒子包繞,膠原纖維間有碎屑沉積,說明在疲勞載荷下,出現(xiàn)了膠原纖維和羥磷灰石分離.微孔涂層的人工髖關(guān)節(jié)置入體內(nèi)2月,可以負重并緩步行步,但快速行走仍要慎重.BMP/PCI,1月,板層骨長入微孔內(nèi),界面無間隙存在,足以承受0.91～1.86MPa疲勞載荷,BMP增加微孔涂層與骨組織界面疲勞強度的作用十分明顯.BMP/PCI,2月,微孔內(nèi)由成熟的板層骨組成的骨小梁形成網(wǎng)絡(luò),將鈦合金粒子包繞,由于試件在疲勞過程中發(fā)生破壞,未觀察到疲勞損傷的全過程,但仍可以看到疲勞損傷的共同過程.即微孔內(nèi)骨組織的改建程度對界面強度的影響及損傷逐漸積累過程.疲勞壽命測定離散性大,費時、昂貴.本試驗探討了用配制疲勞臺的掃描電鏡觀察骨與微孔界面疲勞微觀損傷的可行性,探討了界面損傷機制.總結(jié)規(guī)律,需要深一步的研究.試驗可以得出:微孔內(nèi)骨改建狀態(tài)對于界面疲勞特性有重要影響.在微孔內(nèi)骨組織改建程度不成熟的條件下,最先出現(xiàn)損傷的是微孔涂層與骨界面近側(cè)應(yīng)力集中處.若微孔內(nèi)骨組織成熟,最初表現(xiàn)則是微孔內(nèi)骨組織損傷積累,如微細裂紋出現(xiàn)、碎化、骨紋理方向改變,凹陷等,反映了骨膠原纖維將應(yīng)力向界面外側(cè)骨組織傳遞過程中不斷損傷,松弛,并與羥磷灰石分離的趨向.當微孔內(nèi)骨組織損傷,承受載荷能力下降時,開始在骨與微孔界面應(yīng)力集中部位出現(xiàn)裂紋.界面上也由于骨膠原纖維在疲勞載荷中損傷積累,和羥基磷灰石分離形成松弛帶和縱向微細裂紋,累積并以此為基礎(chǔ)形成溝狀紋,溝狀紋是主裂紋形成的基礎(chǔ).界面裂紋萌生,擴展及斷裂過程與靜態(tài)剪切試驗有異,但主裂紋軌跡是一致的.在主裂紋形成之前,主要表現(xiàn)為損傷積累.損傷累積取決于載荷大小以及骨組織結(jié)構(gòu).由于骨組織是由骨膠原纖維和羥基磷灰石形成的復合材料,結(jié)構(gòu)上為層狀不連續(xù)的多孔材料.在損傷累積過程中表現(xiàn)為此伏彼起.初期加速,后又緩慢.骨膠原纖維逐漸改變方向,有機相和無相相分離,板層骨粘合線廣泛分離,使骨與微孔界面對應(yīng)力的抵抗具有較大緩沖能力并對能量最具有耗散作用,這可能是蠕變和應(yīng)力松弛的原因.1微生物的制備在真空、1250℃條件下,燒結(jié)制備微孔涂層的鈦合金假體.涂層厚度2.0mm,孔徑0.250mm,孔隙率為30%～40%,涂層表面積220mm2.假體制備后,超聲波清洗.BMP10mg溶于1ml4mol/L鹽酸胍中,將PCI微孔涂層部分置入溶液中.2℃、pH3.01檸檬酸緩沖液透析24h,冷凍干燥.環(huán)氧乙烷薰蒸消毒6h.成年雜種犬18條,雌雄各半,體重15±2.5kg,隨機分為兩個時間組.戊巴比妥納25mg/kgiv麻醉.雙側(cè)股骨近側(cè)植入BPM/PCI及PCI,使微孔涂層及骨組織緊密嵌合,部位隨機,每組植入BMP/PCI及PCI各9枚.術(shù)后青霉素400萬u靜滴3d.兩組分別于4、8周取標本,10%福爾馬林固定.顯露骨與微孔涂層表面.細水砂紙磨光.用漸次高濃度的乙醇溶液脫水干燥.將試驗?zāi)Ｐ凸潭ㄓ谄谂_接口螺栓上,