新型TLM鈦合金及涂層骨植入試驗的生物相容性觀察

宋 偉，馬 濤，王坤正，姚建鋒，張育民，秦四清，于振濤，王傳文

(1西安紅十字會醫院，西安 710054;2西安交通大學第二醫院;3西北有色金屬研究院;4商丘市第一人民醫院)

鈦6鋁4釩合金(Ti-6Al-4V)是目前臨床上最常使用的鈦合金。研究發現該合金中的釩能夠在生物體骨、腎、肝、脾等器官內聚積，其毒性效應與磷酸鹽生化代謝相關，毒性超過鎳和鉻等元素［1］。因此，開發新型醫用合金是目前鈦合金研究領域的一個熱點［2］。TLM鈦合金是西北有色金屬研究院近年來最新研究的醫用型新型鈦合金，為考察其生物相容性，2005年1～5月我們對其致敏、溶血、急性毒性、骨植入相容性等分別進行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料 金屬材料分別為Ti-6Al-4V、TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM，均由西北有色金屬研究院提供。制備成光滑圓柱體(直徑=2.0 mm，長度=6.0 mm)，采用煮沸法滅菌后24 h內供動物實驗植入使用。動物選自西安交通大學醫學院實驗動物中心健康的中國家兔40只，雌雄各半，體質量2 kg。采用動物自由進飲食方式進行飼養。隨機分為Ti-6Al-4V組、TLM組、含生物涂層的TLM組、含耐磨涂層的TLM組各10只。

1.2 實驗方法 將家兔用2%戊巴比妥鈉按30 mg/kg注射于耳緣靜脈麻醉，取左側股骨外側術區，備皮，常規消毒鋪巾。取股骨外側縱形切口，逐層切開皮膚、皮下，沿肌間隙暴露股骨外側骨皮質，用低轉速鉆間歇在骨上鉆孔，鉆頭直徑與樣品直徑一致，均為2.0 mm，確保植入樣品穩定。操作時用生理鹽水充分灌洗，以免過熱使局部組織壞死。鉆孔2個，間距1.5 cm。將柱狀植入樣品緊密嵌入，逐層縫合肌筋膜、皮下組織、皮膚。術后肌注青霉素40萬 U，1 次/d，連續3 d。術后 1、2、4、8、12 周分別取材，進行肉眼觀察、X線檢查、光鏡檢查、掃描電鏡檢查。組織學評價標準依據中華人民共和國國家標準GB/T16886.6-1997，以炎細胞反應和纖維囊形成組織反應分級，然后根據組織反應分級情況進行結果評定。每一期樣品組織學觀察反應程度超過標準一級的片子數不得多于總數的1/4。

2 結果

2.1 肉眼大體觀察 術后家兔飲食規律，傷口愈合良好，無明顯滲出，植入物與周圍組織無粘連、充血、水腫、壞死或其他異常情況。

2.2 X線檢查 在各觀察周期內，TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM與Ti-6Al-4V周圍均無明顯骨溶解、骨吸收、骨異常增生等現象。

2.3 光鏡檢查 TLM植入后1周，其周圍有少量中性粒細胞、淋巴細胞浸潤和巨細胞反應，無材料碎片、脂肪浸潤、肉芽腫及細胞壞死的表現。依照組織學評價標準［3］，表現為Ⅲ級炎性細胞反應、纖維囊壁尚未形成。2和4周時，炎性細胞反應明顯減弱，僅有少量淋巴細胞浸潤，樣品周圍可見纖維母細胞、纖維細胞與膠原纖維，并已形成纖維囊腔結構，囊壁逐漸變得致密，厚度穩定且≤0.03 mm，無繼續增生現象。8和12周時，樣品周圍無明顯炎細胞浸潤，纖維囊壁變得更薄、更為致密。在組織學評價上，TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM與Ti-6Al-4V均符合GB/T16886.6-1997評定標準。所檢材料的每一期樣品組織學反應程度超過標準一級片子數均未多于總數的1/4，顯示具有良好生物相容性。TLM與Ti-6Al-4V之間無差異，含生物涂層的TLM和含耐磨涂層的TLM則優于TLM。

2.4 掃描電鏡檢查 TLM植入后1周，骨組織表面有少量的成骨細胞及膠原纖維，骨小梁結構較多，薄層板層骨形成，材料表面有成骨細胞及小的板層骨形成。2和4周后骨小梁和板層骨更多。8到12周后，骨組織和材料表面有大量的板層骨和骨小梁結構，有豐富的成骨細胞和骨細胞。TLM成骨效應優于Ti-6Al-4V，含生物涂層的TLM和含耐磨涂層的TLM則優于TLM。

3 討論

本課題所檢驗的新型鈦合金TLM為穩定β型鈦合金，是由我國自行研制的第3代體內植入用鈦合金。新材料采用鈦、鋯、鉬、錫、鉭及鈮等6種無毒元素制作，相關測試證實具有較好的力學性能［4］。采用微弧氧化工藝制作的復相二氧化鈦生物活性涂層明顯改善了合金的生物活性［5］，適用于骨外科、口腔外科等領域制作鋼板、螺釘等內固定器材及關節假體、牙種植體等。

材料的生物相容性是評價醫療器械和生物材料必須考慮的問題。良好的生物相容性是決定生物材料能否應用于臨床的先決條件［6］。本試驗通過對TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM植入家兔股骨后第1、2、4、8、12 周的肉眼大體觀察、X 線檢查、光鏡檢查、掃描電鏡檢查，對材料的組織學、成骨效應等進行評價。在肉眼大體觀察和X線檢查中，TLM、含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM與作為對照的Ti-6Al-4V無明顯差別。在植入早期，材料周圍出現炎性細胞浸潤，其原因為:①材料作為異物植入體內，植入物微量小分子物質滲出刺激組織所引起的非感染性炎癥;②手術過程引發的損傷給微生物侵入機體組織的機會;③植入物能抑制和吸附補體C3a、C5a，增加多核白細胞在植入物局部組織中的數量，使抑制局部炎癥反應的能力減弱［7］。2周后炎癥明顯減輕，8周后無明顯炎性反應。纖維囊形成是異物進入機體內引起機體對異物進行包裹的病理生理過程，這個過程的演變依據材料自身的性質而有程度不同的表現，也就是說與材料對機體的刺激程度相關。在組織學評價中，TLM與作為對照的Ti-6Al-4V無明顯差別，含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM則優于TLM。TLM植入后材料表面骨組織附著良好，早期即有成骨細胞及膠原細胞附著，骨小梁和板層骨組織形成;8周以后有大量的骨小梁和板層骨形成，豐富的成骨細胞和骨細胞生長。表明TLM有著良好的成骨效應，優于Ti-6Al-4V，而含生物涂層的TLM、含耐磨涂層的TLM則優于TLM。

［1］李佐臣.外科植入物用新型TAMZ合金的生物學性能［J］.鈦工業進展，2001，5(4):37.

［2］Paul K.The electrochemical behavior of new titanium Alloy［M］//Froce FH.Titanium 92 science and technology.Pennsylvania:TMS，1993:2705.

［3］郝和平，奚廷斐，卜長生.醫療器械監督管理和評價［M］.北京:中國醫藥科技出版社，2000:177.

［4］于振濤，周廉，王克光.生物醫用型鈦合金設計與開發［J］.稀有金屬快報，2004，1(2):5.

［5］Suh JY，Jang BC，Zhu XL.Effect of hydrothermally treated anodic oxide films on osteoblast attachment and prolifcratiom［J］.Bio Materials，2003，24(7):347-355.

［6］傅辛福，季紅，朱惠和.血液及組織相容性醫用高分子材料［J］.海軍醫高專學報，1997，19(2):103.

［7］俞耀庭，張興棟.生物醫用材料［M］.天津:天津大學出版社，2000:18-19.