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背景多孔钛合金与实体钛合金相比能够改善植入物的骨整合,是近年金属植入物研究热点。但是多孔钛合金(Ti-6Al-4V)孔隙结构内部骨长入不是十分理想,特别是体积较大多孔材料中心骨长入较少。经过前期的研究,我们分析骨长入不佳的可能原因为:1、多孔结构的采用仅能降低钛合金部件表观弹性模量,而材料本身力学性能没有实质变化,与骨组织微观力学性能不匹配依然存在;2、正常骨组织具有压电效应,其力-电转换特性可将外界应力刺激转换为内部电磁信号,电信号对于骨修复与改建至关重要,而植入部位由于正常骨组织的缺失,无法产生骨修复所需的相应电磁信号。为解决上述问题,本研究采用电子束熔融(Electron beam melting,EBM)技术,以新型低弹性模量Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(Ti2448)合金粉末制备新型低弹性模量多孔钛合金;同时,引入外源性脉冲电磁场(Pulsed Electromagnetic Fields,PEMF)进行干预,模拟正常骨组织产生的内源性电磁信号。课题组前期研究已证实了PEMF可加强成骨细胞与钛合金(Ti-6Al-4V)表面的生物兼容性。然而,PEMF和新型低弹性模量多孔钛合金协同的生物学效应尚未见报道。因此,本研究通过体外细胞实验和动物体内埋植实验,验证PEMF与低弹性模量多孔钛合金的协同生物学作用。目的1、评价PEMF对多孔Ti2448材料表面成骨细胞活性的影响;2、评价PEMF对动物体内多孔Ti2448植入物的骨长入和骨整合的作用效果。方法1、多孔Ti2448材料的制备:沿用课题组前期研究的多孔参数,在Materialise软件中设计多孔钛合金三维模型,将模型数据导入EBM设备,以新型低弹钛合金Ti2448粉末为原料制备两种外部规格的多孔Ti2448材料,采用扫描电子显微镜检测材料表面形态和元素组成;2、PEMF平台的搭建:PEMF平台由PEMF发生器和线圈组成。PEMF发生器使用GHY-Ⅲ型;线圈则分为两种,细胞实验用线圈为Helm Holz双线圈,动物实验用线圈为改进型Helm Holz三线圈以获得更大范围的均匀电磁场。将线圈与电磁场发生器连接并通电,待电流稳定后使用高斯计检测线圈内部和中心区域的磁感强度,以及周围环境的磁感强度。3、体外细胞实验:小鼠成骨前体细胞MC3T3-E1接种于多孔Ti2448片表面,每日进行PEMF暴露2h,与未暴露PEMF的多孔Ti2448片表面细胞进行比较,在暴露后1天、4天、7天等不同时间点通过细胞增殖、扫描电子显微镜、活死细胞荧光染色、实时定量PCR等细胞学检测手段进行分析。4、动物体内试验:24只雌性成年新西兰兔随机分为2组,双侧股骨外侧髁部植入多孔Ti2448棒,一组进行PEMF暴露2h/日,一组无PEMF暴露,术后4周、12周取材行荧光观察、Van Gieson染色检测等。结果制备的多孔Ti2448材料为规则疏松多孔结构,孔径710±42μm,孔隙率68±5.3%,多孔钛片直径12 mm×高度3 mm,多孔钛棒直径6 mm×高度10 mm,表面形态粗糙。成功搭建用于细胞实验和动物实验的脉冲电磁场发生平台,经检测,线圈内部磁感强度为2 m T,周围环境磁感强度为0.05±0.002 m T。细胞增殖实验中脉冲电磁场刺激后第1天没有明显差别,第4天、第7天实验组(PEMF)细胞数均高于对照组(p<0.01);活死细胞荧光染色发现两组多孔Ti2448片表面大多数为活细胞绿色荧光,死细胞红色荧光相对较少,而实验组与对照组相比可见更多的绿色荧光细胞与细胞群的形成,高倍镜下细胞伪足清晰,细胞状态良好;扫描电镜下也可见明显细胞伪足,细胞状态良好,低倍镜下实验组细胞数量也明显多于对照组;成骨相关基因PCR结果显示,第4天对照组与实验组的碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)和骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein,BMP-2)基因表达没有差异,而实验组的1型胶原(type 1 collagen,Col-1)、骨钙素(osteocalcin,OCN)、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)和runt相关转录因子2(runt-related transcription factor 2,Runx2)基因表达量均高于对照组(p<0.05),第7天实验组ALP、Col-1、OCN、Runx2和BMP-2基因表达量均高于对照组(p<0.05),而OPN的表达量没有差异,但已处于较高表达水平。动物实验中新骨(钙盐沉积)荧光标记成线性排列,术后4周和12周,实验组新生骨沉积速率(两种荧光间距)均高于对照组(p<0.05),Van Gieson染色发现,术后4周两组的多孔Ti2448植入材料周围均有散在新生骨组织环绕,新骨与材料之间可见明显缝隙,对照组新骨长入较少且中心部位空洞,实验组有较多新骨长入,中心部位也可见少量不规则新骨长入;术后12周,两组多孔材料内部均有较多的骨长入,实验组与对照组相比,骨长入量则更多,对照组材料与新骨之间还存在少量的间隙,而实验组新骨和材料结合紧密,骨整合良好。新骨量百分比半定量分析显示,术后4周和12周,实验组新生骨面积百分比均高于对照组(p<0.05)。结论EBM技术制备的多孔Ti2448植入物表观弹性模量和微观力学性能都能够更好的与骨组织匹配。PEMF在体外能够促进多孔Ti2448材料表面成骨前体细胞的活性,在体内能够加强多孔Ti2448植入物骨长入和骨整合,表明PEMF与多孔Ti2448协同作用效果良好,二者的联合应用具有广阔的临床前景。