3D打印犬类特异性股骨假体建立临床相关人工关节感染模型及多模态评估研究

为解决人工关节感染(PJI)动物模型缺乏标准化假体和定量细菌接种的问题，研究人员通过CT解剖数据设计3D打印钛合金犬类优化假体(BFP-C)，建立剂量依赖性金黄色葡萄球菌(S. aureus)感染模型。结果显示BFP-C具有优异生物力学性能(屈服强度6836±157N)，所有剂量组(250-108 CFU)均成功诱导PJI，多模态评估系统证实感染严重程度与细菌负荷呈正相关。该模型为抗感染治疗研发和假体优化提供了重要平台。

　　

人工关节置换术是治疗终末期关节疾病的有效手段，但术后人工关节感染(PJI)却成为困扰临床的"噩梦"。据统计，髋膝关节置换术后PJI发生率约1-2%，而肘关节高达9%。随着人口老龄化，预计到2060年全髋/膝关节置换手术量将激增659%/469%，PJI相关医疗负担可能突破18.5亿美元。这种感染不仅导致假体失效，患者往往需要多次手术和长期抗生素治疗，堪称骨科领域的"顽固堡垒"。

传统的小动物模型难以模拟人类PJI复杂病理过程，而大型动物研究又面临两大技术瓶颈：一是缺乏与动物解剖匹配的假体，二是细菌接种剂量缺乏标准化方案。针对这些挑战，北京积水潭医院的研究团队创新性地结合3D打印和定量微生物学技术，在《Journal of Orthopaedic Translation》发表重要成果。

研究人员首先通过CT扫描获取比格犬髋关节解剖数据，运用电子束熔融(EBM)技术打印两种钛合金(Ti-6Al-4V)假体：犬类优化型(BFP-C)和人类衍生型(BFP-H)。通过力学测试、有限元分析(FEA)和体内验证筛选最优假体后，建立剂量梯度(250-10⁸ CFU)的S. aureus感染模型。采用多模态评估体系，包括X线/CT影像学、力学拔出测试、组织病理学(H&E/Masson/Giemsa染色)、细菌培养及开放场行为追踪等技术，系统评价感染特征。

【3.1 假体设计与生物力学性能】
BFP-C展现出显著优势：刚度(1872±48N/mm)和屈服强度(6836±157N)分别是BFP-H的8.7倍和12.3倍。FEA显示BFP-C术后骨应变仅0.71%，远低于BFP-H的20.32%。28天拔出测试证实BFP-C固定强度(913±78N)是BFP-H的2.1倍，且无假体脱位发生。

【3.4 感染剂量效应】
所有剂量组均成功建立PJI，呈现典型剂量效应：超高剂量组(UHD,10⁸ CFU)表现出严重骨溶解(拔出强度24±8N vs 对照924±45N)和运动障碍(移动距离下降74%)；低剂量组(LD,250 CFU)也出现窦道形成和55.1%的力学强度降低。

【3.5 多模态评估】
CT较X线提前14天检测到骨膜反应。组织学显示UHD组每高倍镜视野细菌数达25±2个，Masson评分9±1分(对照0.67±0.58分)。行为学分析显示UHD组移动距离(2003±276cm)显著低于对照组(7976±333cm)。

【3.6 细菌学验证】
假体表面细菌培养显示HD/UHD组菌落数显著高于LD/MD组(P<0.001)，所有实验组伤口分泌物均分离出S. aureus。

这项研究建立了首个整合物种特异性假体、定量细菌接种和多模态评估的标准化PJI模型。BFP-C的优异性能证实了基于解剖的假体设计重要性，而250 CFU即可诱发PJI的发现为临床感染阈值提供了参考。创新的"影像学-力学-行为学"三位一体评估体系，不仅提高了诊断敏感性，更为抗感染材料评价建立了标准化平台。3D打印工作流程展示的快速原型制造能力，为个性化假体研发开辟了新途径。

该模型未来可扩展应用于多重耐药菌感染、生物膜清除策略等研究领域。研究者也指出当前局限：仅使用S. aureus单菌种感染，未涵盖临床19%的混合感染情况；28天观察期未能评估慢性期变化。这些都为后续研究指明了方向，包括开发多病原体共感染模型、延长观察周期以模拟慢性感染特征等。这项研究为PJI发病机制研究和治疗策略开发提供了重要工具，其定量化、标准化的研究范式对转化医学具有示范意义。