目的:观察含硅涂层镁合金体外对小鼠骨髓间充质干细胞生物活性的影响。方法:实验根据材料和培养液的不同分为硅涂层镁合金组(A组)、裸镁合金组(B组)、医用钛合金组(C组)和空白对照组(D组)。倒置相差显微镜观察细胞形态，采用细胞计数试剂盒(CCK-8)检测细胞增殖活力，扫描电镜观察细胞在材料表面的黏附情况，成骨分化能力通过碱性磷酸酶(ALP)、矿化结节及成骨相关基因检测评价。组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD- t检验。 结果:扫描电镜下见硅涂层镁合金表面呈粗糙、多孔形态；材料浸提液培养后各组细胞轮廓清晰、形态良好。在培养的第5天，各组的吸光度( A)值分别为A组(0.380)、B组(0.383)、C组(0.384)和D组(0.398)，细胞毒性检测差异无统计学意义( F＝1.051， P>0.05)；扫描电镜观察见A组材料表面细胞生长粘附形态良好。细胞培养10 d，茜素红染色结果提示A组细胞的矿化程度最高， A值为0.307，明显高于B、C、D组的0.237、0.105和0.114( t＝5.538、16.032、15.330， P<0.01)。成骨相关基因表达量检测结果提示A组的ALP、骨钙蛋白和Ⅰ型胶原基因的相对表达量分别为4.015、6.425和6.679，明显高于B组(2.150、3.516、5.264， t＝32.297、21.965、14.167， P<0.01)，C组(1.043、1.025、1.063， t＝51.461、40.774、56.222， P<0.01)和D组(1.162、1.004、1.005， t＝49.400、40.933、56.799， P<0.01)。 结论:含硅涂层镁合金材料在体外具有良好的生物活性，有利于细胞的生长、黏附、增殖和分化。

背景:在众多金属植入物表面改性技术中,微弧氧化技术因操作方便、成本低且能有效调整表面涂层的微观结构和元素而得到广泛关注.目的:总结微弧氧化技术在不同材料表面制备氧化涂层的理化性能及生物活性的研究进展.方法:应用计算机检索PubMed和Web of Science数据库中有关于微弧氧化技术对医用金属生物活性影响的文献,英文检索词为"MAO、micro-arc oxidation、osseointegration、mechanical property、biological activity、angiogenesis、fibrogenesis",检索时间范围是2016年1月至2022年12月.根据纳入与排除标准,最终纳入82篇文献进行综述.结果与结论:微弧氧化技术是一种极具潜力的表面改性技术,可以极大提高种植体植入的成功率,也可以广泛应用于其他领域,具体原因如下:①微弧氧化技术在材料表面形成特殊多孔形貌,可以优化其耐磨性、耐腐蚀性等机械性能,降低镁合金的降解速率;②微弧氧化技术可以通过在材料多孔形貌中掺入锶、羟基磷灰石和其他金属或非金属物质,辅助提高其成骨分化、血管生成、纤维生成等生物活性,改善钛和钛合金生物惰性的缺点.

背景:机器学习与医用金属材料的结合,弥补传统实验和计算模拟的低效性和高成本的不足,通过分析大量数据快速准确地预测金属材料特性,优化材料设计和性能,提高医学应用的安全性和效率.目的:总结并归纳机器学习在医用材料特性中的研究进展及不足.方法:由第一作者通过计算机检索中国知网、PubMed、X-MOL和Web of Science数据库2013年1月至2023年4月的相关文章.中文检索词为"医用金属材料机器学习,医用钛合金,医用镁合金,医用金属材料性能",英文检索词为"machine learning medical metal materials,medical stainless steel alloy,medical cobalt-chromium alloy,medical titanium alloy,medical magnesium alloy",最终纳入70篇相关文献进行归纳总结.结果与结论:①随着传统实验和计算模拟方法所产生的大量数据的可获取性提高,机器学习作为材料设计方法的引入为材料科学研究开辟了新的范式.②机器学习工作流主要分为4个部分:数据收集及预处理、特征工程、模型选择及训练和模型评估,每个环节不可缺少.③医用金属材料分为:不锈钢共基合金、钴铬合金、钛合金和镁合金.针对不锈钢共基合金,机器学习预测其力学性能,要提高机器学习的泛化能力;针对钴铬合金,机器学习预测其力学性能,可得出钴铬合金为髋关节植入物的最佳材料;针对钛合金,机器学习预测其力学性能,可选择出力学性能最优异的植入物;针对镁合金,机器学习预测其耐腐蚀性和力学性能,集成模型可准确预测镁合金的力学性能,随机森林模型可预测镁合金作为血管支架时的最优元素含量.④机器学习在医用材料领域存在一定局限性,如模型相对滞后、数据未能标准化及泛化性较低;未来研究解决此类问题应充分利用深度学习和分割算法技术,使用统一标准数据,改善模型提高泛化能力.

背景:增材制造技术由于其快速成型及其数字化、个性化等特点,为个性化、精准化的医疗提供了强有力的技术支持,因此其医疗器械产品在骨科、口腔、术前规划、颅颌面部等临床应用中快速发展.目的:简要介绍国内外增材制造技术研究进展及其产品在临床应用领域中的商业化应用情况.方法:以"增材制造,医疗器械,临床应用,3D打印"为中文检索词,以"additive manufacturing(AM),additive manufacturing technology,medical device,clinical application,3D printing"为英文检索词,分别检索万方数据、中国知网及PubMed、Elsevier、Springer Link数据库,以及国家药品监督管理局及FDA网站.检索时间范围重点为2010年1月至2023年3月,同时纳入少数经典远期文献.结果与结论:增材制造技术以原材料形态(液体基、固体基、粉末基)为分类方式,目前已有的增材制造工艺有熔融沉积成型技术、立体光固化成型技术、粉末床熔融技术、定向能量沉积技术、黏结剂喷射打印3D技术、喷墨打印技术、分层实体制造技术等7种.已上市的增材制造产品有骨科产品、口腔科产品、术前规划导板/骨模型产品和颅颌面部产品,骨科产品有匹配式长段骨缺损修复体、椎间融合器、膝关节矫形器、椎体假体、胸腰椎融合匹配式假体系统、膝关节假体和髋关节假体;口腔科产品有增材制造用光固化临时冠桥树脂和BB Base 3D Printing Resin for Denture Base;术前规划导板/骨模型产品有骨模型、医用骨科手术导板、定制式牙科种植用导板、人体器官模型;颅颌面部产品有聚己内酯支架、患者专用颅骨植入物、OsteoFab患者专用面部设备、SpinFab VBR假体、TruMatch CMF钛合金3D打印假体系统.

目的 优化医用电动腔镜直线切割吻合器手柄、击发扳手、转向机构要素,以起到减轻重量,提高操作灵活性、自由度.方法 三维结构使用Pro-e绘制,Cero2.0 曲率分析模块分析,对扳手和转向机构进行二维和三维模块设计.结果 建模所得得到的击发扳手运用Cero2.0 自带曲率分析模块分析所得曲面最小曲率-0.1886,最大曲率0.0542.扳手应用塑料/钛合金透料设计,优化后击发扳手重量由0.051 kg减轻至0.031 kg.转向机构的转轮通过销钉带动连板旋转一定角度,由之前的11°增加到目前的 37°.结论 通过本次优化,减轻了吻合器的重量,提高了其操作灵活性和自由度,后续需进行临床验证.

目的 研制一种具有良好生物力学功能、可直接自攻到位的微型自攻型支抗钉.方法 选用高强度植入物用钛合金TC4,或 316L植入物医用不锈钢,设计支抗钉螺杆尖端自攻、螺杆主体、非骨质埋入部(龈部)、支抗钉功能头部和周向稳定槽,并采用 6 轴数控加工中心、配专用夹具工艺制造微型自攻型支抗钉.结果 成功设计了一种支抗钉螺杆尖端、螺杆主体骨螺纹和轻锥度、力矩输入段及牵引悬挂结构的微型自攻型支抗钉,该支抗钉能满足多重牵拉结扎,无需通过黏膜切口手术,可直接从牙龈穿透自攻植入牙床骨质中.结论 支抗钉具有良好的植入稳定性、生物相容性,在自攻固位后即可牵拉结扎,有效地缩短了正畸周期,避免了牵引过程中出现植入部分松动或植入部分失效的现象.

目的 研制一种新型的具有坚强界面稳定性能以及高度自稳性能的可膨胀箱形椎间融合器(EVIFC).方法 根据国人腰椎结构特点设计出EVIFC,并采用医用钛合金材料制成模型,取15具腰椎标本随机分为3组,其中每组有5具标本,有一组作为对照组,其余两组行L4-5椎间盘切除,有一组仅固定EVIFC (EVIFC组),另一组固定EVIFC后再固定腰椎GSS-Ⅱ系统(GSS-Ⅱ组),测量3组标本在受到轴向压缩前屈、后伸、侧屈及扭转状态下的载荷位移、载荷应变关系及强度和刚度的变化.结果 3组在轴向压缩、前屈、后伸和侧屈时腰椎的应变随载荷增大而增大,相同载荷下,3组间应变差异无统计学意义(P>0.05);在500 N以内载荷作用下腰椎纵向压缩位移随载荷的增加而增加,3组间位移差异无统计学意义(P>0.05);500 N载荷轴向压缩时GSS-Ⅱ强度最大(P<0.05);而在前屈、后伸及侧屈时3组间应力强度差异无统计学意义(P>0.05);3组间轴向压缩刚度和弯曲刚度均差异无统计学意义(P>0.05); EVIFC组的最大扭矩为3.57 N· m; GSS-Ⅱ组为3.96 N· m;对照组为3.71 N· m, 3组间差异无统计学意义(P>0.05); EVIFC 组与GSS-Ⅱ组、对照组的扭转刚度比较差异无统计学意义(P>0.05).结论 EVIFC固定腰椎后的生物力学性能与传统固定GSS-Ⅱ系统和正常腰椎相近.

临床应用的高氮奥氏体不锈钢具有优良的力学性能、腐蚀性能和生物相容性,特别是其强度达到医用316L不锈钢强度2倍左右,但是临床用植入器件并没有充分利用其高强度的优势而进行结构尺寸的优化设计.本文采用有限元方法模拟研究空心结构高氮无镍不锈钢接骨板内孔的数量及孔径变化对弯曲抗力和应力分布的影响规律,结果表明随着孔数和孔径的增加,接骨板的轻量化率呈线性提高,同时三点弯曲时的弯曲抗力也明显降低,均成线性关系,应力分布随着孔的加入逐渐均匀.对于高强度的高氮无镍不锈钢而言,采用三孔结构及孔径为接骨板厚50%的设计,可以实现约15%的轻量化,而且保持较高的抗弯曲性能.同时根据研究结果,建议临床用316L不锈钢接骨板和钛合金接骨板可以采用双孔结构,孔径控制在接骨板厚度的50%以内,能够实现10%左右的轻量化,同时弯曲抗力不明显下降.

背景:采用各种表面改性方法提高医用钛及钛合金植入物的骨整合,是目前人工关节假体领域研究的重点之一.目的:在纯钛表面制备掺硅二氧化锆膜,研究其对成骨样MG63细胞相关因子的影响.方法:采用磁过滤真空阴极弧沉积技术在纯钛表面分别制备掺硅二氧化锆膜与二氧化锆膜.将成骨样MG63细胞分别接种于掺硅二氧化锆膜、二氧化锆膜及纯钛片表面,接种后第1,4,7,10天,以定量RT-PCR法检测细胞骨保护素和核因子κB受体活化因子配体基因表达情况,ELISA检测细胞分泌骨保护素和核因子κB受体活化因子配体蛋白量.结果与结论:①接种第1天,3组骨保护素基因及蛋白表达无差异;接种第4天,掺硅二氧化锆膜组、二氧化锆膜组骨保护素基因及蛋白表达高于纯钛组(P<0.05),掺硅二氧化锆膜组、二氧化锆膜组骨保护素基因及蛋白表达无差异;接种第7,10天,掺硅二氧化锆膜组骨保护素基因及蛋白表达高于二氧化锆膜组、纯钛组(P<0.05);②接种第1天,3组核因子κB受体活化因子配体基因及蛋白表达无差异;接种第4,7天,掺硅二氧化锆膜组核因子κB受体活化因子配体基因及蛋白表达低于二氧化锆膜组、纯钛组(P<0.05);接种第10天,掺硅二氧化锆膜组、二氧化锆膜组基因及蛋白表达低于纯钛组(P<0.05),掺硅二氧化锆膜组、二氧化锆膜组骨保护素基因及蛋白表达无差异;③结果表明,在纯钛表面阴极弧沉积掺硅二氧化锆膜,能够上调成骨样MG63细胞内骨保护素表达水平,同时下调核因子κB受体活化因子配体表达水平.

背景:钛合金长期以来被用作可植入的生物材料,通过在其表面制备二氧化钛纳米管层可提高材料表面与骨的接触面积,然而将硅元素注入纳米管层表面是否可以进一步提高材料生物活性,有待进一步研究.目的:探讨钛表面含硅二氧化钛纳米管层对成骨细胞MC3T3-E1细胞活性的影响,为医用钛金属生物管层的改良提供实验依据.方法:利用阳极氧化法技术在钛表面制备二氧化钛纳米管层,采用等离子体浸没离子植入和沉积法,将硅离子沉积在二氧化钛纳米管层表面(实验组),以二氧化钛纳米管层为阳性对照组,光滑钛片作为阴性对照组.用扫描电镜观察各组形貌,X射线衍射仪测定各组元素组成.3组管层表面分别种植MC3T3-E1细胞,检测第1,3及5天各组细胞黏附铺展、增殖情况,第7天各组细胞相关基因的表达及第3,4周各组细胞的钙沉积情况.结果与结论:①扫描电镜下显示硅元素的加入没有改变管层的表面形貌,且第1天仅实验组细胞上可以观察到有丝状伪足扩展,第3天丝状伪足活性增加并开始合并,第5天丝状网络结构较其他两组明显增多;②X射线衍射仪显示实验组出现了对应为硅元素特征峰;③MTS法显示培养第1,3天,黏附于实验组及阳性对照组表面的细胞数量比阴性对照组显著增多,第5天,实验组上的细胞增殖显著高于对其他2组(P<0.05);④实时定量RT-PCR检测结果显示7 d时实验组中成骨相关基因Ⅰ型胶原蛋白,碱性磷酸酶,Runx2,骨钙素和骨桥蛋白基因表达均高于对照组(P<0.05);⑤第3,4周实验组和阳性对照组上的细胞与阴性对照组相比钙矿物结节形成明显升高,第4周含实验组沉积的钙矿物比其他2组显著增加(P<0.05);⑥结果提示,二氧化钛纳米管层可以通过等离子体浸没离子植入和沉积法加载硅离子并具备良好的成骨活性.