纳米非晶钽涂层髋臼假体在复杂骨缺损修复中的创新应用：体内研究及病例系列分析

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Nano-thin amorphous tantalum-coated prosthesis for acetabular bone defect reconstruction: in vivo study and case series

本文介绍了采用磁控溅射技术制备纳米非晶钽涂层修饰3D打印钛合金（TC4）个性化假体，用于复杂髋臼骨缺损重建的创新研究。通过小型猪体内实验证实Ta涂层可显著促进早期骨整合（BV/TV、BIC等指标优于TC4组），临床病例系列显示该一体化假体（含聚乙烯内衬锁定结构）能有效改善患者VAS疼痛评分和Harris髋关节评分（HHS），且未出现感染、假体松动等严重并发症。研究为兼具优异骨整合性能与成本效益的骨科植入物开发提供了新策略。

　　

1 引言

复杂髋臼骨缺损的修复是骨科领域的重大挑战，传统方法如自体/异体骨移植、鞍形假体等存在供体不足、成本高或机械稳定性差等局限。三维打印（3DP）技术为个性化假体设计提供了新途径，但植入物材料的理想选择仍存争议。钛合金（Ti-6Al-4V, TC4）虽具备优良力学性能，但其骨整合能力较弱；而钽（Ta）作为"亲生物"金属虽具有卓越的骨诱导性，却因资源稀缺导致成本高昂。本研究创新性地通过磁控溅射（MSP）技术在TC4基底上沉积纳米级非晶钽涂层，并设计一体化假体结构（直接集成聚乙烯内衬锁定机制），以兼顾力学支撑与生物相容性。

2 方法

2.1 成骨性能评估

选取10只小型猪于股骨髁植入三种支架（TC4、纯Ta、Ta涂层TC4），通过Micro-CT和组织染色分析术后3/6个月的骨长入情况。定量指标包括骨体积分数（BV/TV）、骨-植入物接触率（BIC）和骨小梁厚度（Tb.Th）。

2.2 病例系列研究

纳入3例复杂髋臼缺损患者（2例骨盆软骨肉瘤，1例翻修术），采用基于CT数据设计的3D打印TC4假体（孔隙率80%，孔径600μm），经MSP制备Ta涂层（厚度约20nm）。术中通过定制截骨导板精准植入一体化假体，术后评估VAS评分、HHS及影像学结果。

3 结果

3.1 成骨性能

Micro-CT显示Ta涂层组在3/6个月时BV/TV、BIC均显著高于TC4组（P<0.05），且早期（3个月）差异更明显。组织染色证实三组支架中心均见均匀纤维分布，但Ta涂层组与纯Ta组早期骨长入密度优于TC4。

3.2 临床结果

所有患者手术成功，平均随访27.7个月。末次随访时VAS评分显著下降（术前5-7分 vs 术后1-3分），HHS从术前70-75分提升至85-89分。影像学检查未见假体移位或松动（图9）。

3.3 典型病例

74岁女性患者因髋臼杯松动行翻修术，定制Ta涂层假体术后26个月功能恢复良好，假体位置稳定。

4 讨论

4.1 成骨机制分析

Ta涂层表面微纳粗糙结构及亲水性（接触角42.3°）可能通过促进纤维连接蛋白（FN）吸附，激活黏着斑激酶（FAK）信号通路，进而加速成骨细胞分化。其表面氧化组分（如TaO_x）还可调控BMP-2/Smad、Wnt/β-catenin等成骨相关通路。

4.2 技术优势

相较于化学气相沉积（CVD）和真空蒸发，MSP技术可在室温下实现涂层均匀覆盖且结合力更强。该技术使假体成本降至纯Ta假体的1/10，同时保留其生物活性。

4.3 结构创新意义

一体化假体设计避免了传统模块化假体的组件微动问题，术中出血量（平均1200mL）和手术时间（平均7.3h）优于文献报道的模块化方案。

5 结论

纳米钽涂层TC4假体通过增强早期骨整合能力，为复杂髋臼缺损重建提供了兼具力学强度与生物活性的解决方案。短期临床结果证实其安全性及功能改善潜力，但需更大样本和长期随访验证远期疗效。