微孔涂层假体与骨界面的疲劳行为

微孔涂层假体与骨界面的疲劳行为

由骨组织长出微孔，使固体和骨组织在生物范围内相互分离和固定，并随着时间和压力水平的变化而改变和修复。它比用专用粘土修复的人工伤口好。在人体负荷过程中，样品的应力通过界面传递给骨组织。临床上经常报告体制改革和废除。对骨和微芯片界面的微观机制研究在国际上没有报道。在本实验中，使用了带有故障平台的扫描电镜，以观察界面的疲劳过程。报告如下。1.1钛合金泰斯基尼pci1.2牛骨骼形态bmp与pci结合1.3动物测试和组成1.4生物力学样品的制备每时间组中取PCI及BMP/PCI各2枚,真空镀膜台中,将骨与涂层界面镀金.1.5疲劳试验2结果2.1骨组织胶原纤维断裂产生机理静态加载250N,最小0N,界面平均峰值应力0.91MPa,加载速率为9.7N/s.在30次时,界面近侧裂纹出现,向远侧迅速扩展.裂纹迅速张大并脱开.将微孔外1/3部分骨组织拉出产生胶原纤维断裂.2.2纹周围碎化静态加载:245N,界面无损伤.动态载荷:最大200N,最小0N,界面最大平均应力0.9MPa.加载速率302.9N/s,共10000次.在3000次时,微孔内骨组织首先形成微细裂纹,宽5～8μm.裂纹逐渐加宽,在微孔内骨组织逐渐出现众多微细裂纹,导致骨组织逐渐碎化.4000次时,在界面近端外侧骨组织出现不连续斜形裂纹,向界面延伸,裂纹周围亦碎化.7000次时;在界面近侧出现纵行微细裂纹,裂纹周围出现纵向平行排列的骨纹理改变.界面形成沟状纹理.10000次时:界面微孔粒子表面板层骨碎化,粒子裸露.动载荷:最大300N,最小0N,界面平均峰值应力1.36MPa.加载速率269.30N/s,共5000次.在500次时:微孔内骨组织碎化,近侧界面外侧裂纹扩大加速.1000次时,界面远侧纵行沟状纹加深并增多.微孔内骨组织内陷、微孔粒子突出,形成浮凸感.3000次时,远侧界面沟状纹继续深化,界面出现纵形裂纹,微孔外1/3骨组织斜向排列.5000次时,微孔内骨组织完全碎化,出现蠕变现象.动载荷:最大410N,最小0N.界面平均最大应力1.86MPa.加载速率25.130N/s,共2918次.在2918次时,远侧界面因板层骨粘合线开裂而出现平行斜线裂纹.在斜行裂纹稍外侧纵向沟状纹加深.在裂纹中可见拉伸状纤纵结构.在2000次时,界面沟状纹加深更加显著,沟状纹骨组织趋于分离,界面纵形沟状纹形成主裂纹,主裂纹边缘钝化.在2918次时,沿界面断裂,界面镀金层破坏,因电荷积存而呈白斑状.主裂纹最终由纵行沟纹加深形成,边缘骨组织粘合线广泛分离,边缘钝化,且有散在碎屑样物沉淀.2.3骨小梁界面缺陷型静态加载:250N,界面无改变.动态载荷:最大220N,最小0N.加载速率145N/s,平均界面峰值应力:1.0MPa,共2000次.界面近侧出现纵形裂纹,沿骨小梁薄弱部位向上延伸.界面边缘骨小梁拉伸断裂,加载卸载过程中可见裂纹张开,不全闭合.裂纹边缘有纤维状物.由于界面出现裂纹微孔粒子裸露,表面有胶原纤维包裹形成套,并广泛断裂.骨小梁在拉伸疲劳过程中产生损伤积累,粘合线广泛分离,板层骨断裂.动载荷:最大330N,最小0N.平均界面峰值应力:1.5MPa,3次.加载速率101.45N/s.模型远侧与疲劳台接头处断裂.近侧界面出现纵行裂纹,向远侧迅速扩展,裂纹中有平行排列的胶原纤维,向微孔内延伸,将微孔粒子包绕.胶原纤维周围有碎化物.2.4界面微观缺陷静态载荷:250N,界而无变化.动态载荷:最大220N,最小0N,界面平均峰值应力1.0MPa,加载速率:145N/s.在100次时,界面近侧出现裂纹,在疲劳加载卸载过程中裂纹张开,不全闭合.裂纹尖端逐渐向远侧延伸.在2500次时,界面远侧出现纵行微细裂纹,微孔内骨小梁亦出现条纹.动载荷:最大330N,最小0N.界面平均峰值应力:1.5MPa,加载速率:145N/s.在1000次时,最终模型远侧与疲劳台接头处断裂.近侧界面裂纹加大,张开-不全闭合十分明显,微孔内裂纹亦出现张开不全闭合.远侧微孔内骨小梁条纹增多,粒子结合颈间组织断裂.界面形成纵向微细裂纹.3界面损伤机制四种处理代表了微孔内四种不同的骨改建状态.1月PCI微孔内为初级编织骨.界面尚有间隙,2月PCI在界面已形成成熟骨小梁结构,微孔内却为成熟编织骨.1月BMP/PCI微孔内为板状骨单位,未改建成骨小梁结构.2月BMP/PCI微孔内形成成熟骨小梁结构,与界面外侧骨小梁相延续.而四种微孔内骨组织改建状态.代表了四种不同的疲劳过程.PCI1月:由于微孔内为初级编织状骨,0.91MPa界面疲劳载荷30次即产生松动.微孔涂层的人工髋关节界面强度为0.91MPa可以防止假体下沉,亦类似缓慢行走.试验表明:1月未复合BMP的微孔涂层的人工髋关节在人体不足以承受体重及行走.PCI2月:界面骨组织为成熟骨小梁结构,微孔内为成熟编织骨.1.0MPa疲劳载荷,2000次,微孔内骨组织无显著改变.沿界面骨小梁积累损伤,骨小梁在拉伸疲劳载荷下表面为板层骨广泛分离,粘合线分裂,板层骨断裂最终形成主裂纹.当增加载荷至1.5MPa时,由于模型损伤而中止试验,但运行3次已发现界面近侧裂纹迅速增大,并可见许多胶原纤维连于裂纹两侧,将微粒子包绕,胶原纤维间有碎屑沉积,说明在疲劳载荷下,出现了胶原纤维和羟磷灰石分离.微孔涂层的人工髋关节置入体内2月,可以负重并缓步行步,但快速行走仍要慎重.BMP/PCI,1月,板层骨长入微孔内,界面无间隙存在,足以承受0.91～1.86MPa疲劳载荷,BMP增加微孔涂层与骨组织界面疲劳强度的作用十分明显.BMP/PCI,2月,微孔内由成熟的板层骨组成的骨小梁形成网络,将钛合金粒子包绕,由于试件在疲劳过程中发生破坏,未观察到疲劳损伤的全过程,但仍可以看到疲劳损伤的共同过程.即微孔内骨组织的改建程度对界面强度的影响及损伤逐渐积累过程.疲劳寿命测定离散性大,费时、昂贵.本试验探讨了用配制疲劳台的扫描电镜观察骨与微孔界面疲劳微观损伤的可行性,探讨了界面损伤机制.总结规律,需要深一步的研究.试验可以得出:微孔内骨改建状态对于界面疲劳特性有重要影响.在微孔内骨组织改建程度不成熟的条件下,最先出现损伤的是微孔涂层与骨界面近侧应力集中处.若微孔内骨组织成熟,最初表现则是微孔内骨组织损伤积累,如微细裂纹出现、碎化、骨纹理方向改变,凹陷等,反映了骨胶原纤维将应力向界面外侧骨组织传递过程中不断损伤,松弛,并与羟磷灰石分离的趋向.当微孔内骨组织损伤,承受载荷能力下降时,开始在骨与微孔界面应力集中部位出现裂纹.界面上也由于骨胶原纤维在疲劳载荷中损伤积累,和羟基磷灰石分离形成松弛带和纵向微细裂纹,累积并以此为基础形成沟状纹,沟状纹是主裂纹形成的基础.界面裂纹萌生,扩展及断裂过程与静态剪切试验有异,但主裂纹轨迹是一致的.在主裂纹形成之前,主要表现为损伤积累.损伤累积取决于载荷大小以及骨组织结构.由于骨组织是由骨胶原纤维和羟基磷灰石形成的复合材料,结构上为层状不连续的多孔材料.在损伤累积过程中表现为此伏彼起.初期加速,后又缓慢.骨胶原纤维逐渐改变方向,有机相和无相相分离,板层骨粘合线广泛分离,使骨与微孔界面对应力的抵抗具有较大缓冲能力并对能量最具有耗散作用,这可能是蠕变和应力松弛的原因.1微生物的制备在真空、1250℃条件下,烧结制备微孔涂层的钛合金假体.涂层厚度2.0mm,孔径0.250mm,孔隙率为30%～40%,涂层表面积220mm2.假体制备后,超声波清洗.BMP10mg溶于1ml4mol/L盐酸胍中,将PCI微孔涂层部分置入溶液中.2℃、pH3.01柠檬酸缓冲液透析24h,冷冻干燥.环氧乙烷薰蒸消毒6h.成年杂种犬18条,雌雄各半,体重15±2.5kg,随机分为两个时间组.戊巴比妥纳25mg/kgiv麻醉.双侧股骨近侧植入BPM/PCI及PCI,使微孔涂层及骨组织紧密嵌合,部位随机,每组植入BMP/PCI及PCI各9枚.术后青霉素400万u静滴3d.两组分别于4、8周取标本,10%福尔马林固定.显露骨与微孔涂层表面.细水砂纸磨光.用渐次高浓度的乙醇溶液脱水干燥.将试验模型固定于疲劳台接口螺栓上,