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研究背景创伤、感染、先天畸形和医源性损伤等各种原因导致的大面积颅骨缺损不仅会严重影响患者的美观,还会导致大脑皮质疝、硬膜下积液、癫痫发作和三叉神经综合征等严重并发症的发生。因此进行颅骨修复术对于颅骨解剖重建,大脑保护,美学恢复,神经生理改善以及预防严重并发症具有重要意义。目前,临床上常用的颅骨修复材料主要有自体骨、同种异体骨和人工材料等,自体骨不仅造成二次损伤,而且骨来源有限。同种异体骨存在感染风险,并且加工塑形难度很大。因此,探讨研究适合修复颅骨缺损的替代品有着十分重要临床意义。传统的人工颅骨修复替代材料主要有骨水泥、有机玻璃、高分子纤维增强材料、硅橡胶板、金属钛、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、聚醚醚酮(Polyetheretherketone,PEEK)、高密度多孔聚乙烯等。这些材料存在的一个共同问题是:材料与人体骨组织成分差别很大,组织相容性不高。而羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)作为人体骨组织含量最高的无机物成分,其生物相容性、骨传导性和骨诱导性都毋庸置疑,但HA陶瓷材料脆性高、硬度大和不易加工等特征,是导致HA材料修复颅骨缺损难以临床转化的瓶颈。3D打印技术可实现对各种复杂结构的假体进行个性化打印,进而使颅骨修复假体可以精准修复颅骨缺损。因此,研究改良配制浆料3D打印HA的生物安全性、组织相容性、机械性能、成骨性能以及HA用于人体颅骨缺损的生物力学性能,对3D打印HA修复颅骨缺损的临床转化有着重要意义。研究目的1.研究3D打印HA颅骨修复假体材料的细胞毒性以及假体对兔颅骨缺损的修复能力,对3D打印HA颅骨修复假体的生物安全性、组织相容性以及骨诱导性能进行初步评价。2.分析当受到外力作用时3D打印个性化HA颅骨修复假体的应力应变情况,探讨3D打印个性化HA颅骨修复假体的生物力学性能,为临床应用提供必要的实验基础。研究方法1.细胞毒性实验:通过CCK-8(Cell Counting Kit-8)法检测3D打印HA兔颅骨修复假体浸提液(实验组)对细胞增殖的影响,实验同时设置阳性对照组(6.5%苯酚溶液)、阴性对照组(高密度聚乙烯提取物)以及空白对照组(完全培养基)进行对照观察。2.假体植入实验:使用3D打印HA颅骨修复假体分别对12只兔行颅骨修复术。通过大体观察、影像学等方法观察3D打印HA颅骨修复假体修复兔颅骨缺损的效果。3.三维有限元分析:对1例大面积颅骨缺损的患者的颅骨CT数据进行数据处理并构建颅骨缺损三维模型,然后通过逆向工程软件设计4种不同厚度的3D打印个性化HA颅骨修复假体有限元模型,最后通过三维有限元分析方法分析不同厚度的3D打印个性化HA颅骨修复假体在受到不同大小作用力时的应力应变情况。结果1.细胞毒性实验:实验组在加入CCK-8溶液4h时的吸光度值(Optical Density,OD)为 2.9975,此时细胞相对增值率(Relative growth rate,RGR)为101.94,细胞毒性等级为0级。2.假体植入实验:通过大体观察方法可见假体与颅骨紧密结合,假体结构比较稳定,无明显松动及移位现象。假体植入区域无明显排斥反应及炎性反应发生。影像学结果显示假体周围骨组织愈合良好,颅骨缺损边缘有部分新骨向假体内部的孔隙中生成,假体与周围骨组织形成了较好的骨性结合。3.三维有限元分析:通过逆向工程方法及三维有限元方法成功建立了 4种不同厚度的3D打印个性化HA颅骨假体三维有限元模型,几组模型均具有良好的几何相似性及生物力学相似性。同时,有限元分析结果显示假体在受到同等大小及方向的中央区域集中作用力时,随着假体厚度的增加,假体所受到的最大等效应力及最大应变均呈现下降趋势。且不同厚度的假体在所设定的几种不同大小集中力的作用下,其最大等效应力值均小于HA材料的极限应力值。除此之外,当假体的厚度一定时,假体的应力应变随所受作用力的增大而逐渐增大。结论1.3D打印HA颅骨修复假体材料具有良好的生物安全性和组织相容性。同时假体表面的孔隙结构可以在一定程度上诱导新骨生成,表明HA具备较好的骨结合性能以及骨诱导性能。2.3D打印个性化HA颅骨修复假体具有足够的强度,生物力学性能良好,其厚度超过2mm时的机械强度即可基本满足一般的力学需求。