一种强化骨髓复合的个体化人工骨支架、构建方法及其应用与流程

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种强化骨髓复合的个体化人工骨支架、构建方法及其应用。

背景技术：

临界性骨缺损的修复与重建是骨科难点和重点问题之一。膜诱导技术(masquelet骨重建技术)分两阶段重建骨结构，为临界性骨缺损修复带来希望。然而，“移植骨来源不足”是限制该技术应用的瓶颈问题。尽管组织工程技术有助于拓展移植骨来源，然而，其关键步骤—种子细胞体外扩增过程，除涉及伦理学问题外，还可能累积染色体变异及细胞恶变倾向。

近年来，非细胞型组织工程化骨相关研究取得重要进展。采用该技术，种子细胞不需体外扩增，可以与支架材料复合后即时植入骨缺损，不存在种子细胞性状改变及伦理学问题，使组织工程修复大段骨缺损成为可能。然而，由于未能找到适宜的多潜能种子细胞，组织工程很难向临床转化。

扩髓－灌洗－吸引装置(ria)的设计初衷是解决髓内钉植入手术中，扩髓所致的骨质温度及髓腔内压升高问题。研究表明，ria扩髓后不仅可自行恢复骨结构，其磨屑(强化骨髓，ebm)含有大量骨髓间充质干细胞。与髂骨骨髓比较，ebm内间充质干细胞数量更多，成骨潜能亦优于髂骨骨髓源干细胞。我们的前期研究证实，ebm可以作为非细胞型组织工程化骨的种子细胞，ebm复合3d打印人工骨支架与膜诱导技术可以有效修复兔桡骨节段性骨缺损。个体化治疗是未来骨科发展的重要方向之一。本研究拟以临界性骨缺损为研究对象，构建骨缺损－诱导膜模型，膜内植入复合ebm的个体化人工骨支架，观察骨缺损修复情况并分析其可能机制。由于种子细胞易于获得、ebm取材后可自行恢复骨结构，允许重复取材；个体化人工骨支架可实现宏观与微观结构骨重建，因此，本研究结果不仅在个体化修复临界性骨缺损方面具有重要意义，还将为假体松动、颌面部等复杂骨缺损重建提供新的思路和方法学参考。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种强化骨髓复合的个体化人工骨支架、构建方法及其应用，本发明以临界性骨缺损为研究对象，利用膜诱导技术，构建四肢长骨骨缺损－诱导膜模型；应用个体化人工骨制作技术，制备力学结构稳定、具有合适孔径、孔隙率，与待修复区域解剖形态相匹配的支架材料；应用ria装置，制备ebm；将ebm与个体化人工骨支架材料复合后，植入骨缺损，观察骨缺损重建及ebm供区修复过程、分析并发症，并进行功能评价。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种强化骨髓复合的个体化人工骨支架的构建方法，包括以下步骤：

(1)骨缺损电子模型获取及个体化人工骨支架制作

行骨水泥间隔植入术后，通过ct扫描获取断层数据；基于ct断层扫描图像利用mimic软件的计算机三维重建技术获得骨缺损三维模型；各部位个体化人工骨支架参数如下：沿材料纵轴，保留直径3～9mm中空隧道，其中股骨9mm、胫骨6mm、肱骨6mm、尺桡骨3mm，根据ct获取的数据制造与患者适配的骨支架；

(2)应用ria装置提取强化骨髓

行骨水泥间隔取出术手术麻醉成功后，患者平卧手术台；患肢对侧下肢常规消毒、铺无菌巾；经股骨大转子近侧切口，显露股骨大转子尖端，植入导针；对于不适宜股骨ria病例，选择胫骨为供区；术中选择胫骨髓腔延长线与胫骨平台前缘交点为进针点；经髌韧带内侧入路显露并植入导针；c臂机透视证实导针位置；开口，ria装置顺行插入股骨/胫骨髓腔；收集骨髓，无菌条件下，以500μm滤网过滤获得强化骨髓；

(3)强化骨髓复合的个体化骨支架

强化骨髓取出后，将强化骨髓植入个体化骨支架材料中央隧道中，并将支架材料放入强化骨髓中充分浸泡混合，获得强化骨髓复合的个体化骨支架。

本发明所述的构建方法制得的强化骨髓复合的个体化人工骨支架。

本发明所述的个体化人工骨支架作为个体化修复临界性骨缺损治疗的支架材料的应用。

有益效果：本发明提供了一种强化骨髓复合的个体化人工骨支架、构建方法及其应用，本发明具有以下优势：

(1)本发明体现了诱导骨缺损原位再生的设计理念，首先提出联合应用ebm复合个体化人工骨支架与膜诱导技术可能在临界性骨缺损治疗中发挥重要作用的假设；

(2)首次将ebm引入复合材料骨移植；

(3)本研究建模、复合ebm和个体化人工骨支架，观察骨缺损修复重建过程，将为相关学科拓展研究提供方法学参考；

(4)个体化治疗是未来骨科发展的重要方向之一，由于种子细胞易于获得，取材术后供区可自行恢复正常结构，允许重复取材，尤其适用于先前髂骨手术史(包括取髂骨植骨术)及髂骨骨量不足的患者；个体化人工骨支架可实现骨缺损部位的个体化重建；因此，本研究结果不仅可为个体化修复长骨骨缺损提供依据，还将为假体松动、颌面部等复杂骨缺损重建提供新的思路和方法学参考，具有重要理论价值和广阔应用前景。

附图说明

图1为本发明所述强化骨髓复合个体化人工骨支架联合膜诱导技术修复临界性骨缺损的技术路线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

以下实施例为采用强化骨髓复合个体化人工骨支架联合膜诱导技术修复临界性骨缺损的研究方法，图1为本研究的技术路线图。

一、入选/排除/退出标准

(1)入选标准：

①诊断符合四肢骨骼临界性骨缺损；②年龄18岁～70岁(含)，性别不限；③能理解研究方案、自愿参加本研究并签署知情同意书。

(2)排除标准：

①恶性骨肿瘤、骨关节结核，以及各种传染病导致的骨关节损害；②全身情况差，心、肺、脑、肾等重要器官功能及造血功能严重受损者；③有精神及神经疾患无法配合治疗者；④3个月内曾接受bmp等骨生长因子治疗者；⑤3个月内曾接受放疗、化疗、免疫抑制剂治疗的患者；⑥过敏体质或对疾病治疗相关材料、试剂过敏者；⑦妊娠和哺乳期妇女；⑧3个月内曾参加其它临床研究项目的患者；⑨合并可能影响骨愈合的骨代谢性疾病者(如甲状旁腺功能减退/亢进症、甲状腺功能减退/亢进症、垂体功能减退症、高催乳素血症、库兴综合征、肢端肥大症、paget病等)；⑩其他研究者认为不适宜参加本研究的患者，如自主行为能力差，预计依从性差、难以按照方案要求随访者。

(3)退出标准

①不能坚持治疗及随访者；②未按治疗方案执行者；③出现与试验相关的严重不良事件或器械缺陷，受试者要求退出，或研究者认为继续参加本研究将损害受试者利益；④治疗过程中出现严重的其他并发疾病或病情恶化者。

无论何种原因，对退出试验的受试者，均保留其完整临床资料。所有退出的受试者，均在病例报告表中，填写试验结论表及病例退出的原因，一般情况下有6种，即发生不良事件(包括药物不良反应和过敏反应)、缺乏疗效(病情恶化或出现并发症)、违背试验方案(包括依从性差)、失访(包括患者自行退出试验)、被申办者中止或其他。

二、对照方式及分组方法

对照方式：前瞻性随机对照研究。

分组方法：分为两组：试验组和对照组。试验组为强化骨髓复合个体化人工骨支架骨移植组，对照组为自体骨移植组。

三、样本量

试验组为强化骨髓复合个体化人工骨支架骨移植组，对照组为自体骨移植组。骨缺损愈合时间为主要效应指标。根据文献资料，对照组骨缺损愈合时间约为38.00±12.00周。根据既往文献报道及临床经验，骨缺损愈合时间差值不超过8.00周(sd,12.00周)为非逊于对照组。设α＝0.025(非劣效性实验设计，单侧检验)，β＝0.20。利用pass11.0软件计算得到试验组和对照组的样本量n1＝n2＝37例。假定研究对象的脱落率为10％，则需样本量n1＝n2＝37÷0.9＝41例。

四、干预措施

(1)入院后检查及术前准备

①全身检查及辅助检查：包括体格检查，血常规、尿常规、出凝血时间、肝肾功能、血沉、c反应蛋白(crp)、降钙素原、胸片、心电图等辅助检查。

②局部检查：患肢局部物理学检查包括患肢周径、长度、肌力、局部皮肤温度、感觉、血运等软组织情况；骨折端稳定性、骨缺损范围、临近关节活动度等。术前均摄正侧位及特殊投照体位x线片明确骨缺损部位、长度、肢体力线等，行薄层ct扫描了解骨缺损范围、是否有死骨残留等；利用dicom软件的体积计算功能计算需植骨的量。对于有活动性感染的患者，取创面分泌物行细菌培养+药敏试验，根据药敏试验结果选用敏感抗生素治疗，改善创面条件后手术。

(2)手术方法

①第一阶段(一期手术，骨水泥间隔植入术)

完善术前检查及术前准备后手术。首先彻底清除病灶，清除失活组织，对骨端清创至断端渗血；打通髓腔；以外固定架、接骨板螺钉或髓内钉固定骨端，注意恢复肢体长度和对线；调配聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,pmma)骨水泥，待凝固前将骨水泥植入骨缺损部位，包裹骨缺损两端；骨水泥固化中，以冰盐水冲洗防止骨水泥聚合热所致的组织损害；闭合伤口。保证创面软组织覆盖良好，必要时应用皮瓣或肌皮瓣。对于污染严重或感染病例，在最终植入骨水泥间隔及确切固定前，需要反复清创，植入抗生素骨水泥。

②第二阶段(二期手术，骨水泥间隔取出，植骨术)

骨水泥间隔植入6周后，沿原手术切口显露，小心切开诱导膜，取出骨水泥间隔，注意保持诱导膜完整；打通髓腔；仔细评价原内固定物稳定程度；必要时，加强固定或更换内固定物。对于试验组，在骨缺损处植入复合ebm的个体化人工骨支架(见下文)；对于对照组，植入片状自体髂骨松质骨；对于缺损大、自体骨量不足的病例，混合植入自体骨及同种异体骨；闭合切口。

③复合ebm的个体化人工骨支架构建

a)骨缺损电子模型获取及个体化人工骨支架制作

对于试验组患者，第一阶段手术结束后，行ct扫描获取断层数据。基于ct断层扫描图像利用mimic软件的计算机三维重建技术获得骨缺损三维模型。各部位个体化人工骨支架参数如下：沿材料纵轴，保留直径3～9mm中空隧道(股骨，9mm；胫骨，6mm；肱骨，6mm；尺桡骨，3mm)，根据ct获取的数据制造与患者适配的骨支架。

b)应用ria装置提取ebm

对于试验组患者，第二阶段手术麻醉成功后，患者平卧手术台；患肢对侧下肢常规消毒、铺无菌巾；经股骨大转子近侧切口，显露股骨大转子尖端，植入导针；对于不适宜股骨ria病例，选择胫骨为供区；术中选择胫骨髓腔延长线与胫骨平台前缘交点为进针点；经髌韧带内侧入路显露并植入导针；c臂机透视证实导针位置；开口，ria装置顺行插入股骨/胫骨髓腔；收集骨髓，无菌条件下，以500μm滤网过滤获得ebm。

c)ebm复合个体化骨支架

ebm取出后，将ebm植入个体化骨支架材料中央隧道中，并将支架材料放入ebm中充分浸泡混合，时间10min。

(3)术后处理

术后预防性应用抗生素1～2天；感染病例依据细菌培养及药敏结果选择敏感抗生素；术后2周拆线。可耐受下，进行患肢关节运动范围练习；依据x线检查及体格检查，指导功能练习及负重情况。

五、效果评价指标

患者治疗效果评价的主要效应指标为骨缺损愈合时间。次要效应指标包括功能评分、ebm供区修复时间及并发症情况。骨缺损愈合评价标准：局部无压痛及纵向叩击痛，局部无异常活动；骨缺损部位正侧位x线片上骨缺损间隙模糊或消失，或者正侧位x线片上可见连续性骨痂越过骨缺损。早期并发症包括感染、医源性神经血管损伤、内固定物失效、供区并发症等；晚期并发症包括骨延迟愈合、不愈合、畸形愈合、患肢功能障碍、供区并发症、应力性骨折等。

术后一般情况观察包括患者精神状态、饮食、肢体活动及切口情况等。随访内容包括体格检查、患肢及ebm供区x线片、肢体功能恢复情况等。动态观察骨缺损修复过程中植入骨支架材料降解、外骨痂形成、植入物与骨断端间隙新生骨形成、骨干结构形成、骨髓腔再通及ebm供区修复情况。主要观察指标包括手术时间、出血量、住院时间、疼痛程度(视觉模拟量表，visualanaloguescale,vas)、骨缺损愈合时间、患肢功能评定及并发症发生情况等。分别采用下肢功能量表(thelowerextremityfunctionalscale,lefs)、臂手肩残障评分(thedisabilitiesofthearm,handandshoulder,dash)和健康相关生活质量量表(thehealthrelatedqualityoflife,hrqol)评价功能恢复情况。

六、安全性指标

安全性指标包括局部不良反应、术后骨缺损再移位、骨不愈合/骨延迟愈合、不良事件/严重不良事件、实验室检查和生命体征。

七、风险分析

无论对照组还是试验组，手术治疗可能出现的风险、不良反应、各种并发症等都是目前医学水平不能完全预防的。

本次临床研究可能出现的并发症及不良事件有：

①局部不良反应：术后出现局部红肿痛痒等现象，或局部形成脓肿，或皮下肿胀不吸收形成包块，或明显骨溶解反应。

根据局部不良反应程度，分为轻、中、重度三级。轻度：局部有红肿痛痒等现象，经药物治疗后局部症状消失；中度：局部明显炎症反应致形成无菌性脓肿或窦道，或皮下肿胀不吸收形成包块，需要外科处理，但局部功能良好；重度：明显骨质溶解反应和感染，局部功能受限。

②术后骨缺损再移位。

③骨不愈合/骨延迟愈合。

八、随访安排

本研究目的为探讨手术治疗的疗效，手术治疗的疗程为患者入组到手术结束，约6～8周。访视点共12个，分别为：筛选期，一期手术前，一期手术中，一期术后1周±3天，二期手术前，二期手术中，二期术后1周±3天，二期术后4周±3天，二期术后8周±3天，二期术后12周±7天，二期术后24周±7天，二期术后52周±7天。随访内容包括体格检查、实验室检查、患肢及ebm供区x线片、并发症分析，以及vas、lefs、dash、hrqol功能评定等。

九、数据管理与统计分析

(1)数据管理

研究中，及时、准确、完整、规范、真实地记录病例报告表(casereportform,crf)、实验数据记录表，采用电子数据采集(electronicdatacapture,edc)系统将原始数据录入到电子数据采集系统数据库，并进行数据的管理和维护。

(2)统计学分析

采用spss11.0统计软件(spss,chicago,il,usa)进行数据处理；服从正态分布的计量资料采用均数±标准差表示，样本均数间比较采用studentt检验；非正态分布的计量资料采用中位数和四分位数间距表示，样本间比较采用wilcoxon秩和检验；计数资料采用百分比表示，样本均数间比较采用χ²检验、fisher’s确切概率检验或kruskal-wallis检验；显著性水平α＝0.05(双侧检验)，第二类错误的概率β＝0.20。