髓内钉及骨科植入材料的研究进展.pdf

生 物 医 学 工 程 研 究 ， （ ） ： 通信作者 ： 髓 内 钉 及 骨 科 植 入 材 料 的 研 究 进 展絥秀菊， 王晓晨， 周初之， 邹坤龙， 李文明， 李红梅（ 山东省医用高分子材料重点实验室， 山东省医疗器械研究所， 济南 ； 浙江欧贝特医疗器械有限公司， 金华， ）摘要： 髓内钉是一类优点突出的骨科植入器械， 这类产品对生物相容性和耐摩擦磨损性能的高要求促进了新型骨科植入材料的开发和研制。我们综述了多种骨科植入材料尤其是碳 纤维增强聚醚醚酮复合材料（ ） 在植入器械领域的广泛应用。关键词： 髓内钉； 骨科植入； 碳纤维增强聚醚醚酮； ； 复合材料中图分类号： 文献标识码： 文章编号： （ ） ， ， ， ， ， （ ， ， ； ； ， ， ） ： ， ， ， （ ） ， ： ； ； ； ； 引言德国 教授早在 年首次使用髓内钉， 用以治疗股骨干骨折。因具备诸多优点， 如植入手术操作简单、 切口小、 微损伤、 术后无需外固定、 可早期负重活动、 骨折愈合后方便取出、 避免局部及全身并发症等， 髓内钉赢得了外科界的瞩目， 得到了不断发展和广泛应用 。随着科技的进步， 体内植入的材料从金属、 合金材料发展到高分子聚合物材料、 纤维及纤维增强的复合材料， 在创伤、 组织工程支架、 骨科植入器械领域取得了很大进展并已临床应用。而且材料的生物活性和力学性能也在不断的改进， 将这些新型材料引入髓内钉的研制新型骨科植入器械的医学应用前景非常广阔。 髓内钉概况 髓内钉结构髓内钉属医疗器械中的骨科植入的固定器械。其结构（ 见图 ） 具有髓内钉杆， 在杆近端设有近端锁定螺钉孔， 其杆表面设有一条以上呈长条形的减压平面（ 图 （ ） 所示） ， 减压平面可从髓内钉杆近端直至髓内钉杆远端。在髓内钉杆近端设置有锁紧螺杆的定位螺钉（ 图 （ ） 所示） 和连接套定位槽（ 图 （ ） 所示） 。有自锁式和交锁式两种结构， 也可根据植入部位不同分别做成不同的形状。 传统材料制髓内钉目前常用的髓内钉多使用钴铬合金、 钛、 不锈钢生物医学工程研究第 卷图 髓内钉结构示意图 等金属材料制成， 但这些用于制造骨科植入物的传统材料存在着一些缺陷， 首先其弹性模量远远高于骨的弹性模量， 不能作为长期承重的植入物 。当承受载荷时， 由于模量上的不匹配， 骨与金属植入物界面易产生较大的应力 ， 既影响了骨组织的重建与愈合过程， 又会引起愈合骨的骨质疏松化（ 即骨萎缩） ； 再者这些金属材料对 光不透过， 无法用常规的 片检查融合情况。因此， 选择结构和力学性能与骨相匹配的生物学材料， 才能解决上述临床问题， 也是制备新型髓内钉的关键。 骨科植入新材料随着科技的进步， 体内植入的材料从金、 合金材料发展到高分子聚合物材料、 纤维及纤维增强的复合材料， 拓宽了植入材料研发的范围。 高分子聚合物材料超高相对分子质量聚乙烯（ ， ） 在人体植入材料中的应用比较广泛， 具有重量轻、 弹性模量接近人体皮质骨、 抗蠕变性强、 耐疲劳性好、 耐腐蚀、 线通透性好等一系列优异性能 ， 但 的抗磨损能力较差， 磨损不仅降低了植入体的使用寿命， 磨损颗粒易导致骨质溶解， 植入体支撑失效、 无菌性松动等一系列问题 。聚醚醚酮（ ， ） 是一种全芳香半结晶高聚物， 与 相比， 具有很多优良的综合性能： 抗氧化、 耐蠕变、 耐热性高、 韧性和刚性兼备、 尺寸稳定性好、 抗疲劳性能好和加工性能好 。其弹性模量与骨的弹性模量接近， 并且具有良好的生物相容性和放射线透过性， 磁共振扫描不会产生伪影等优点 ， 成为骨科学专家和材料学专家研究的重点。以 材料制成的各种骨科植入物已经逐渐应用到临床中。大量体外细胞培养和体内定量组织学试验证明： 聚醚醚酮类聚合物具有良好的生物相容性， 但只有聚醚醚酮在生物盐水的离子作用下， 其力学强度和弹性模量、 耐磨性、 光滑性和刚性等物理性质才没有明显的降低， 而且溶胀率也很低 ， 所以， 聚醚醚酮是最佳的骨科植入材料， 它所固有的光滑性和生物相容性是迄今为止所有聚合物无法相比的 。但聚醚醚酮力学强度尚不够 ， 不能为骨骼生长提供一个稳定的环境。 纤维材料碳纤维（ ， ） 是碳含量占 以上的纤维状碳材料， 因其具有强度大、 模量高、 密度低等特点， 被称为“ 未来材料革命的梦幻材料” ， 是“ 新技术革命” 的重要材料之一。碳纤维具有良好的生物相容性和无明显细胞毒性 ， 在人体骨组织修复和骨替代材料方面极具潜力 。用可屈性碳纤维细丝编织带可以修复缺损的肌键和韧带。 将碳纤维植入活组织后激发了周围组织的再生能力 ，逐渐形成新的结缔组织，使成纤维细胞长入修复的韧带及肌腱中，所产生的胶原纤维有着肌腱或韧带的正常功能。将碳纤维植入家兔骶棘肌内 ，术后 周碳纤维细丝周围结缔组织更加成熟，胶原成分明显，炎性细胞消失，诱发生成新的纤维结缔组织。 复合材料纤维作为增强成分的高分子聚合物基复合材料也逐渐被研究者应用到骨科植入材料中。其中碳纤维增强聚醚醚酮（ ， ） 复合材料的高强度、 低弹性模量（ 与骨接近） 的优点让其脱颖而出， 生物相容性和耐磨性优异， 成为骨科植入体的新一代材料 。英国 公司 推出的 复合材料（ 牌号 ） 具有优良的力学和物理性能， 做成人造骨关节， 可与人体骨骼、 血液和组织接触 天以上。作为结构聚合物材料， 的耐磨损性优于 ， 其中 与母体树脂间的界面键合强度远高于 与母体树脂间的相应强度。新 复合材料的刚性与人体骨骼相近， 因而人体受应力负荷合理， 应力冲击小，比一般聚合物、 金属、 陶瓷更适合做活动关节。此类复合材料已被认证为生物相容性材料， 符合美国 关于药品和医用设施相关文件条款要求。 等 将 与成骨细胞及成纤维细胞共同培养， 未见明显的细胞毒性， 还能促进成第期絥秀菊， 等： 髓内钉及骨科植入材料的研究进展骨细胞的蛋白合成、 成骨及乳附性能，防止假体松动。并对 短 纤维增强的 进行蒸气消毒、 热塑型、 盐水浸泡等处理， 证实其有优良的抗液体渗入性能， 力学性能无明显变化， 纤维基体连接良好。 小组 新推出了一种用于全髋关节造形的低磨耗假体 ， 它由 复合材料制作的臼杯和氧化铝关节头组成， 测试中表现出了良好的生物相容性和优异的摩擦学性能。组织学分析表明， 在体内已移植了 个月的 臼杯只有少量的微粒从复合材料转移到周围组织。进一步的临床研究中将测试 臼杯在患者体内的磨损性能。 等 用短 增强 和 、 氧化铝、 氧化锆等材料并分别模拟髋关节和膝关节进行磨损实验， 研究复合材料作为全髋和全膝假体材料的适应性和局限性。结果表明在类似髋关节接触状态， 不管是对金属还是对陶瓷材料。 的耐磨性均比 或单纯 好得多， 并且沥青基 比聚丙烯腈基 耐磨性好。最佳配对是 沥青基 的 复合材料和氧化锆， 其磨损率比 降低两个数量级 。此外， 复合材料已开始用于制作腰椎融合器（ ） 、 髋假体等 ， 我国的医学科研单位也开展了全髋假体和椎间融合等实验和临床应用研究 。 展望医用髓内钉因其诸多优点而在骨科植入器械领域不断发展和广泛应用， 这类产品对生物相容性和耐摩擦磨损性能的高要求促进了科研人员对新型骨科植入材料的开发和研制。其中复合材料尤其是碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（ ） 的相关研究工作已取得很大进展， 在创伤、 组织工程支架、 骨科植入器械领域有实际生产和临床应用。随着材料学技术的进步， 复合材料的生物活性和力学性能也在不断的改进， 碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（ ） 引入在髓内钉的研制工作依然是今后研究的热点之一， 该类新型髓内钉植入器械的医学应用前景非常广阔。参考文献： 李晓林，罗从风 髓内钉技术的历史和发展 国际骨科学杂志， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ： ， ， （ ） ： 侯春林， 官士兵连续碳纤维增强聚烯烃复合材料骨外固定器的研制与开发 上海市医用生物材料研讨会 邓纯博， 刘冬妍 聚醚醚酮及其复合材料作为骨科植入物的研究进展 生物医学工程与临床， ， （ ） ： 王建营， 朱治国， 孙家跃聚醚醚酮人造骨关节材料研究 化学世界， ， （ ） ： 付国太， 刘洪军， 张柏 的特性及应用 工程塑料应用， ， （ ） ： 李恺军， 陈晓婷，唐旭东 磺化聚醚醚酮的性能与应用 合成技术及应用， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， （ ） ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， （ ） ， ， ： ， ， ， ， （ ） ： 孙安兴 碳纤维诱发山羊跟腱形成的实验研究（ 组织学观察） 西北农学院学报， ， （ ） ： 蔡云龙， 陆一龙碳纤维在脊髓灰质炎后遗症治疗中的应用（ 附 例临床初步报告） 解放军医学杂志， ， （ ） ： 蔡云龙， 陆一龙， 李加涛 碳纤维材料临床应用 例初步报告 中华外科杂志， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ： ， ， （ ） ： ， 生物医学工程研究第 卷 ： ， ， （ ） ： ， ， ， ， ： ， ， ， ： 王喜梅，齐贵亮， 蔡江涛 改性研究进展 工程塑料应用， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ： ， ： ， ， （ ） ： 贾庆卫，孙俊英， 江宏卫 碳增强的聚醚醚酮作为髋臼假体材料的实验研究 中国矫形外科杂志， ， （ ） ： （ 收稿日期： ）德成功诱导出可无限再生的大脑干细胞德国科研人员已成功地自人类胚胎干细胞诱导出大脑干细胞。这些干细胞不仅能在培养皿中几乎无限期地保存， 而且还能作为各类神经细胞的一种取之不尽的来源。科学家们还表明， 这些神经细胞能在大脑中进行突触融合。这项研究结果发表在最新出版的 美国国家科学院院刊 上。多年来， 干细胞研究几乎分裂成为两个世界： 一个是胚胎干细胞， 它是万能的， 具有无限的发展潜力； 另一个是成体干细胞， 它可以从成体组织获得， 但再生和发展的能力却有限。现在， 德国波恩大学科学家成功地将这两个世界合二为一： 他们诱导出几乎能从人类胚胎干细胞无限再生和保存的大脑干细胞， 利用这些稳定的干细胞系， 研究人员就能持续不断地从体外获取各种不同的人类神经细胞， 包括那些可挫败帕金森氏症的神经细胞。使用这种新的细胞， 研究人员还能减少目前对胚胎干细胞的需求， 胚胎干细胞是迄今为止每一个独立细胞创建过程中不可或缺的基本材料。波恩大学重构神经生物学教授奥利佛布鲁斯托说： “ 这种新的细胞，可长年累月源源不断地供应人类神经细胞， 而无需求助于任何胚胎干细胞的补充。 ”在动物实验中， 研究人员找到了直接的证据证明这些人工诱导的神经细胞可发挥作用。这些细胞被移植入老鼠的大脑后， 与受体大脑进行接触， 随后都能发送和接受信令。研究论文的作者菲利普科赫博士认为， 这是自人类胚胎干细胞诱导出的神经细胞能在大脑中进行突触融合的第一个直接证据。研究人员希望藉此取之不尽的细胞源来研究神经退行性疾病， 及可能存在于人类神经细胞中活性成分。布鲁斯托和他的研究团队是德国首个获准进口人类胚胎干细胞的团队， 他们在这一热门课题的公开讨论中发挥了重要作用。布鲁斯托强调说： “ 目前的研究结果已经清晰地表明了， 胚胎干细胞和成体干细胞的研究可完美地结合起来， 这非常重要。 ”