一种改进的力学测试方法以评估骨-植入物锚定性能

本实验的总体目标是评估新生修复骨与候选种植体表面之间的结合力和稳定性。首先制备两组定制的钛种植体来实现这一目标：一组采用标准的喷砂处理以形成基础的微米级表面形貌，另一组则在相同喷砂处理的基础上，进一步叠加磷酸钙纳米晶体。

第二步是将植入物置入雄性Wistar大鼠的股骨远端，持续九天，之后收集股骨。接着，对股骨进行清理，并修剪周围骨组织至与植入物等宽，制备出在植入物两侧保留皮质骨弓的力学测试样本。最后一步是将测试样本放入可流动的牙科复合材料中，使用定制的可拆卸模具固定，使植入物周围0.5毫米的骨组织暴露，随后对样本进行力学测试。

最终，力学测试结果可评估候选植入物表面作为新生修复骨锚定界面的能力。该方法可用于阐明植入物表面形貌在不同尺度范围内对骨锚定各种机制的影响，从纳米尺度的骨结合到较粗微米尺度的骨长入。该技术特别适用于测量候选表面设计对新生修复骨锚定效果的影响，例如针对新生修复骨的锚定表面。

因为它将力学测试区域限制在种植体表面半毫米范围内。该方法可揭示骨形成效果与种植体表面设计之间的关系，也可应用于其他金属、陶瓷和聚合物种植体材料。开始此操作时，使用商业纯钛制备矩形钛种植体，沿长轴中心钻孔，并按照随附文本方案中所述方法处理其表面以备植入，通过部分随机化方法将种植体分别分配至左股骨和右股骨。

这可以确保每种植入物各有一个最终植入同一只动物体内，从而优化统计分析。与所有动物实验一样，在开始本实验程序之前，须获得当地动物护理委员会的方案批准。获取年轻的Wistar大鼠，在手术时其体重应在200至250克之间。

每次使用吸入麻醉法对一只大鼠进行麻醉诱导。以每分钟一升的流速给予含4%异氟烷的氧气。随后，使用含2%异氟烷的混合气体，其中包含每分钟一升的氧化亚氮和每分钟0.6升的氧气。

为维持麻醉状态，在继续操作前需进行标准的足趾夹捏测试，以确认麻醉效果。完全麻醉后，将人工泪膏涂抹于双眼，并通过皮下注射给予术前镇痛药物，剂量为每千克体重0.01至0.05毫克的丁丙诺啡。接下来，剃除后肢外侧前部的毛发，然后使用10%聚维酮碘和70%乙醇交替擦拭三次，对手术区域进行消毒。

使用15号手术刀，在手术过程中将大鼠置于温水循环垫上以防止低体温。沿大腿外侧皮肤做切口以暴露肌肉。然后通过钝性分离将肌体以微创方式推开，暴露股骨远端。

接下来，使用骨膜剥离器刮除覆盖在股骨表面的薄层骨膜，以完全暴露皮质骨，便于钻孔。在钝性分离或去除骨膜时，注意避免损伤膝关节的生长板和关节软骨。待股骨清理干净并检查完毕后，将股骨向外侧旋转，以暴露股骨远端的前表面。

同时确保在钻孔过程中有充足的无菌生理盐水用于冲洗组织，以避免组织过热。钻孔前，使用卡尺在股骨中线上测量两个相距 2.5 毫米的孔位。然后将一个 1.3 毫米的牙科磨头安装到牙科手机上，通过钻通股骨前皮质来制备孔洞。接着，将一个 1.3 毫米的扭转牙科磨头安装到手机上，将孔洞贯穿至股骨对侧皮质，形成双皮质平行孔洞。

最后，将扭转钻头更换为定制的侧切钻头，并沿近端至远端方向连接各孔，形成植入物植入位点。缺损制备完成后，使用附带的针头将可生物降解缝线穿过开孔，并环绕股骨外侧皮质返回。然后将植入物穿入缝线的自由端，并引导其进入缺损部位，使其通过压配方式固定。

在术后恢复期及愈合早期阶段，将缝线围绕股骨外侧以提供植入物稳定性。使用剩余缝线闭合肌肉组织，然后用外科缝钉重新缝合皮肤组织。最后，通过皮下注射给予术后镇痛药物。

每天检查手术部位是否有感染迹象，并对动物进行日常监测。若动物在处死时未能完全恢复行走能力，或发现股骨骨折，则应将其排除。处死后，分离股骨并清除周围软组织。立即将其置于15%蔗糖缓冲液中，以保持组织水合状态。

在进行力学测试前，使用永久性记号笔在侧弓处画一条细黑线，以用于识别。接下来，使用连接在高速系统上的圆柱形金刚砂钻头将骨组织修剪至与植入物宽度一致。最终的测试试样由两块骨弓组成，分别附着于植入物的两侧表面。

使用配备有载荷传感器的机械测试装置进行所有测试，并将运行速度设置为 30 毫米每分钟。对于在制备或运输至测试样本过程中脱落的弓丝，其测试值设定为零牛顿。首先，将样本放入定制的可拆卸模具中，并通过将稳定板放置在模具后侧来固定样本。

然后用可流动的牙科复合树脂包裹皮质骨弓，并使用蓝宝石等离子弧高强度固化灯照射60秒以固化树脂。该设计可隔离出0.5毫米的种植体周围骨区域，以实现一致的测试条件。固化完成后打开模具，取出已硬化的试样块。

接下来，将测试样本的预制复制品固定在台钳中，并将其居中安装在英斯特朗试验机的底座上。然后通过将样本放入台钳螺纹中，将10磅尼龙钓鱼线穿过植入物，并将线的自由端连接到移动横梁上来固定样本。为保持一致性，始终先标记并测试外侧。接着，以每分钟30毫米的速度将横梁从样本移开，直至样本失效，操作方式与之前相同。

当骨组织从植入体表面分离后，对内侧弓部重复此过程，然后使用解剖显微镜观察植入体表面。图中所示为喷砂处理的植入体表面的扫描电镜图像，分别呈现了添加与未添加磷酸钙纳米晶体的情况。在10,000倍下，修饰后的纳米表面与对照表面看起来相似；但在100,000倍下观察时，由磷酸钙纳米晶体形成的叠加纳米形貌变得非常明显。

此处展示了典型的强制位移曲线。红线代表微米级形貌复杂的表面，而黑线代表具有叠加磷酸钙纳米晶体的植入物。与未经修饰的微米级形貌表面相比，添加了磷酸钙亚微米级形貌特征的表面具有显著更高的破坏力。

在对力学测试后的断裂面进行分析时，92%包埋在可流动牙科复合树脂中的骨样本在目标种植体区域发生断裂。在实施该操作过程中，由于试样体积小、重量轻，在包埋测试样本时必须格外小心。试样难以准确定位，因此在施加牙科复合树脂前，有必要确保所有部件正确对齐。

通过此操作步骤，可进一步采用扫描电子显微镜中的背散射电子成像等高级成像方法，以在显著更高的放大倍数下探究骨植入物相互作用的更多问题。