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功能梯度支架孔隙率对糖皮质激素相关性兔股骨头坏死治疗作用的研究
作者与机构
本研究由 Masahiro Maruyama、Chi-Chun Pan 等15位作者共同完成，主要来自美国斯坦福大学医学院骨科（Department of Orthopaedic Surgery, Stanford University School of Medicine），部分作者来自日本山形大学医学院（Yamaguchi University Faculty of Medicine）。研究发表于 Journal of Orthopaedic Translation 2021年第28卷（90–99页）。
学术背景
研究领域与背景知识
研究聚焦于骨科再生医学领域，针对早期股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head, ONFH）的治疗困境。ONFH是一种因骨内血供中断导致骨细胞死亡的疾病，糖皮质激素使用是其主要诱因之一。目前核心减压术（core decompression, CD）是早期ONFH的标准疗法，但成功率仅65%，且缺乏机械支撑和促再生能力的结合。
研究动机与目标
团队前期开发了一种新型3D打印功能梯度支架（functionally-graded scaffold, FGS），其结合聚己内酯（polycaprolactone, PCL）和β-磷酸三钙（β-tricalcium phosphate, β-TCP），具有空间梯度孔隙结构。本研究旨在优化FGS设计，通过比较两种孔隙率（30% vs 60%）在糖皮质激素诱导的兔ONFH模型中的疗效，解决以下问题：
1. 不同孔隙率FGS对骨长入和力学性能的影响；
2. 支架中央通道（central channel）设计对细胞疗法递送的可行性。
研究流程
1. FGS设计与制备
- 材料合成：采用80/20比例的PCL/β-TCP复合材料，通过热熔挤出法制备1.1 mm直径的打印线材。β-TCP提供骨传导性，PCL增强打印可塑性。
- 3D打印：支架设计为空心圆柱体（长32 mm，外径3 mm，中央通道直径1 mm），分为三段：
- 近端（1 mm）：无孔隙，提供机械支撑；
- 中段（22 mm）：孔隙率30%或60%，模拟松质骨；
- 远端（9 mm）：孔隙率15%，模拟皮质骨。
- 后处理：氢氧化钠亲水化处理，70%乙醇灭菌。
2. 动物模型建立与手术
- 动物选择：18只雄性新西兰白兔（5–6月龄），单次肌肉注射甲基强的松龙（20 mg/kg）诱导ONFH。
- 分组与手术：4周后分为三组（每组n=6）：
- CD组：仅核心减压（钻3 mm直径骨隧道）；
- 30% FGS组：植入30%孔隙率支架；
- 60% FGS组：植入60%孔隙率支架。
3. 术后评估
- MicroCT分析：术后8周取股骨，评估骨长入比例（bone ingrowth ratio）、支架降解率、骨矿物质密度（BMD）等。
- 骨长入计算：( \text{Bone ingrowth ratio} = \frac{V{\text{bone}}}{V{\text{total}} - V_{\text{rem FGS}}} \times 100 )
- 力学测试：
- 压痕试验（indentation test）：模拟生理载荷下股骨头表面刚度；
- 推出试验（push-out test）：测定骨-支架界面力学强度。
- 组织学分析：H&E染色评估骨小梁成熟度、空骨陷窝比例及骨髓修复模式。
主要结果
支架表征
- 实际孔隙率：30% FGS中段为26.4%±2.3%，60% FGS为56.0%±4.5%。
- 孔径大小：30% FGS为699±56 μm，60% FGS为999±71 μm（p<0.001）。
骨再生效果
- MicroCT：30% FGS组的骨长入比例（73.9%±15.8%）显著高于CD组（39.5%±13.0%，p<0.05）；60% FGS组（61.3%±30.1%）无显著差异。
- 组织学：30% FGS周围形成厚而成熟的骨小梁，60% FGS则多为薄而未成熟的骨组织。
力学性能
- 30% FGS组的推出刚度（582.4±192.3 N/mm³）显著高于60% FGS组（338.7±164.6 N/mm³，p<0.05）。
- 股骨头表面刚度在三组间无差异，表明支架植入未破坏整体力学稳定性。
ONFH病理评估
- 所有组均表现为典型的早期坏死特征：空骨陷窝（50%-54%）、骨髓脂肪化和修复性纤维化。
结论与价值
本研究证实：
1. 30%孔隙率FGS 在促进骨长入和力学稳定性上优于60%孔隙率支架，其孔径（~700 μm）更利于骨组织成熟。
2. 中央通道设计为未来联合细胞疗法（如水凝胶递送BM-MNCs）提供了可行性。
3. 科学价值：阐明了孔隙率对骨再生的影响机制，为ONFH的“机械支撑+再生修复”双功能治疗策略提供了实验依据。
4. 应用潜力：该FGS有望提升早期ONFH的核心减压术疗效，减少股骨头塌陷风险。
研究亮点
- 创新设计：首次将梯度孔隙结构与中央通道结合，优化了支架的力学-生物学性能平衡。
- 方法学严谨性：通过MicroCT定量骨长入、推出试验精确测定界面强度，并采用糖皮质激素兔模型模拟临床病理。
- 跨学科技术整合：结合3D打印、复合材料工程与骨再生医学，展现了转化医学的研究范式。
补充说明
- 局限性：动物模型仅观察8周，长期降解与骨重建效果需进一步验证；未实际测试中央通道的细胞递送功能。
- 未来方向：如团队所述，下一步将联合MSCs水凝胶注射，评估协同治疗效果。
（报告总字数：约1800字）