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股骨头坏死是骨科尚未解决的难题，发病率逐年提高，致残率较高;尤其当股骨头坏死病变进展到中晚期，伴随股骨头软骨下微骨折及骨量的缺失，将导致股骨头塌陷，退变将不可逆。在保留股骨头手术方案中，骨科医生需要对即将失去完整结构、塌陷的股骨头进行修复及重建。传统经典的方法是采用自体带或不带血运髂骨或游离腓骨进行移植修复，但仍存在修复后生物力学强度不够及分布不均，再次塌陷不可避免。
随着生物组织工程技术进步及新型生物材料研究的发展，有望为股骨头坏死后保髋治疗提供新的方式。基于组织工程技术三大要素，理想的骨组织工程支架材料应该具有以下特征:(1)具备稳定化学特征及良好的生物相容性，与组织体液无炎症反应;(2)支架材料具有与骨结构类似的力学性能，从而避免应力遮挡，特别是在弹性模量上与相应骨组织(0.01～30GPa)越接近越好，同时具有足够的生物力学强度;(3)在空间结构上与骨组织类似，可为种子细胞提供有利的生长空间和物质交换场所。
目前常用医用生物金属材料面临弹性模量高、孔隙率低、接触面摩擦系数低、易出现应力遮挡，造成宿主骨相应骨折及内植入物失效等问题。多孔钽金属(Porous tantalum)具有类似骨小梁结构，平均孔径在400～600μm之间，整体孔隙率为75％～85％，弹性模量与人体皮质骨结构相近，能更好地减少植入后应力遮挡，有利于骨重建及塑形。其相关产品在临床得到广泛应用，并取得了良好临床效果。但多孔钽金属材料制备技术被垄断，应用价格高昂，因而实现多孔钽金属国产化势在必行。
本研究以多孔碳化硅材料为支架，应用化学气相沉积技术，制备新型多孔钽金属材料，并进行初步的生物性评价;开展了多孔钽金属材料复合骨髓基质干细胞修复骨坏死的实验研究，并在临床对股骨头坏死患者进行治疗，综合评价新型多孔钽金属的生物学特性及在股骨头坏死治疗中的临床疗效，具体内容如下:
1.以多孔碳化硅为支架材料应用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)技术将钽金属沉积在其表面形成国产新型多孔钽金属材料，采用超景深三维数字显微系统观察碳化硅支架材料在涂层前后表面金属形态特征，及扫描电镜和EDX能谱分析确定钽金属涂层厚度及钽元素能谱分析证实新型多孔钽金属制备工艺，成功制备出新型国产多孔钽金属。制备过程证实了最佳的氢气流量为150mL/min，最佳基体反应温度为900℃，沉积时间为10小时。采用化学气象沉积技术能够将钽金属均匀沉积到多孔碳化硅支架孔隙表面，涂层与碳化硅基体的结合力良好。新型多孔钽金属不仅具备理想的孔隙率率及三维互通的网状结构，有具有与骨组织相匹配的力学性能。
2.通过原代提取兔骨髓基质干细胞(BMSCs)进行分离、培养，应用流式细胞检测仪检测细胞表面CD45、CD44及CD34蛋白，进行BMSCs特异性抗原鉴定。分别将BMSCs与钽金属浸提液、正常培养基及多孔钽金属材料共培养7天，分别观察1、3、5、7天细胞生长、增殖曲线，发现1、3、5天三组间无明显差异，7天时钽金属共培养组高于其他两组，具有统计学意义。采用MTT法测定三组间细胞生长、增殖情况，反映多孔钽金属具有良好的细胞相容性。应用扫描电镜观察BMSCs在多孔钽金属支架材料上粘附、生长及增值情况，联合培养至第7d，相邻细胞间突触交织融合，粘附爬行相互连接，多孔钽金属表面完全被细胞所覆盖，并可见多孔钽金属孔隙内部充满细胞，并分泌基质覆盖在材料表面。另外将多孔钽切割制作成直径为0.5cm、长0.7cm大小的圆片状，植入兔背部筋膜及肌肉处，观察多孔钽植入后与周围结缔组织纤维相容性。12周后，发现多孔钽被结缔组织包围，局部没有红肿、破溃、流脓等炎症反应和肿瘤形成。Van Gieson染色结果表明，皮下植入的多孔钽完全整合到结缔组织中，无免疫排斥反应。证实了新型多孔钽支架材料具有良好体内体外生物相容性，进而可为下一步进行骨植入提供可靠的理论基础。
3.针对BMSCs具有向成骨细胞转化的潜力和特性，体外培养骨髓基质干细胞结合多孔钽形成复合体，植入兔股骨坏死区域，观察其改善成骨以及骨修复的情况。首先通过体外实验我们采用骨髓基质干细胞分别与多孔碳化硅、多孔钛金属和自制新型多孔钽金属共同培养，7天培养后与多孔钽支架组的细胞增殖均高于Ti合金和SiC支架组(P＜0.05);通过细胞的成骨诱导，并经茜素红染色和碱性磷酸酶钴钙法染色进一步验证了所提取、培养的细胞符合干细胞具有成骨分化的特性;将骨髓基质干细胞与多孔钽支架复合培养，细胞数量随着复合培养的天数也不断增加。两周后，可荧光定量PCR检测到多孔钽金属复合培养组的骨钙素、骨桥蛋白表达增高，证实了多孔钽金属具有一定促进骨生成作用;在体内实验中，制备成激素型骨坏死模型并多孔钽金属及复合细胞后植入修复骨坏死，进行植入物周围骨组织免疫组织化学染色，结果显示两组间骨组织内均有不同程度的BMP-2和VEGF表达，在骨髓、微血管周围及周围骨组织内可见黄褐色颗粒，其中多孔钽金属联合BMSCs组深染，表达较明显，12周时强烈表达，多孔钽金属联合BMSCs组明显高于对照组，有明显差异，具有统计学意义(P＜0.05);硬组织切片结果显示在单纯植入多孔钽12周后，多孔钽的孔隙几乎全部被新生的类骨质所填充，多孔钽联合BMSCs共培养组，可见再生的骨小梁(红色)在多孔钽的内部。通过此次试验再次证明了新型多孔钽金属具有良好的生物相容性，符合骨植入材料的基本要求;动物试验结果表明多孔钽金属联合骨髓基质干细胞修复骨坏死取得了良好的效果，可为治疗中晚期骨坏死提供一些思路和选择。
4.应用新型多孔钽棒复合骨髓基质干细胞联合带血管蒂髂骨瓣转移方法对青壮年股骨头缺血性坏死病人进行了保留股骨头的手术治疗，在明确骨髓基质干细胞具有促成骨作用，多孔钽金属棒具有诱导骨生长及生物力学支撑的情况下，研究联合带血管蒂髂骨瓣转移治疗股骨头坏死，对中晚期的年轻股骨头坏死病人进行了治疗，取得了满意的疗效，研究结果发现新型多孔钽棒复合骨髓基质干细胞联合带血管蒂骼骨瓣转移有效的清除了股骨头内坏死骨，促进了股骨头内新骨再生，提供了可靠的血供及生物力学支撑，预防塌陷的进一步发生，并且不增加手术的并发症。
随着生物组织工程技术进步及新型生物材料研究的发展，有望为股骨头坏死后保髋治疗提供新的方式。基于组织工程技术三大要素，理想的骨组织工程支架材料应该具有以下特征:(1)具备稳定化学特征及良好的生物相容性，与组织体液无炎症反应;(2)支架材料具有与骨结构类似的力学性能，从而避免应力遮挡，特别是在弹性模量上与相应骨组织(0.01～30GPa)越接近越好，同时具有足够的生物力学强度;(3)在空间结构上与骨组织类似，可为种子细胞提供有利的生长空间和物质交换场所。
目前常用医用生物金属材料面临弹性模量高、孔隙率低、接触面摩擦系数低、易出现应力遮挡，造成宿主骨相应骨折及内植入物失效等问题。多孔钽金属(Porous tantalum)具有类似骨小梁结构，平均孔径在400～600μm之间，整体孔隙率为75％～85％，弹性模量与人体皮质骨结构相近，能更好地减少植入后应力遮挡，有利于骨重建及塑形。其相关产品在临床得到广泛应用，并取得了良好临床效果。但多孔钽金属材料制备技术被垄断，应用价格高昂，因而实现多孔钽金属国产化势在必行。
本研究以多孔碳化硅材料为支架，应用化学气相沉积技术，制备新型多孔钽金属材料，并进行初步的生物性评价;开展了多孔钽金属材料复合骨髓基质干细胞修复骨坏死的实验研究，并在临床对股骨头坏死患者进行治疗，综合评价新型多孔钽金属的生物学特性及在股骨头坏死治疗中的临床疗效，具体内容如下:
1.以多孔碳化硅为支架材料应用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)技术将钽金属沉积在其表面形成国产新型多孔钽金属材料，采用超景深三维数字显微系统观察碳化硅支架材料在涂层前后表面金属形态特征，及扫描电镜和EDX能谱分析确定钽金属涂层厚度及钽元素能谱分析证实新型多孔钽金属制备工艺，成功制备出新型国产多孔钽金属。制备过程证实了最佳的氢气流量为150mL/min，最佳基体反应温度为900℃，沉积时间为10小时。采用化学气象沉积技术能够将钽金属均匀沉积到多孔碳化硅支架孔隙表面，涂层与碳化硅基体的结合力良好。新型多孔钽金属不仅具备理想的孔隙率率及三维互通的网状结构，有具有与骨组织相匹配的力学性能。
2.通过原代提取兔骨髓基质干细胞(BMSCs)进行分离、培养，应用流式细胞检测仪检测细胞表面CD45、CD44及CD34蛋白，进行BMSCs特异性抗原鉴定。分别将BMSCs与钽金属浸提液、正常培养基及多孔钽金属材料共培养7天，分别观察1、3、5、7天细胞生长、增殖曲线，发现1、3、5天三组间无明显差异，7天时钽金属共培养组高于其他两组，具有统计学意义。采用MTT法测定三组间细胞生长、增殖情况，反映多孔钽金属具有良好的细胞相容性。应用扫描电镜观察BMSCs在多孔钽金属支架材料上粘附、生长及增值情况，联合培养至第7d，相邻细胞间突触交织融合，粘附爬行相互连接，多孔钽金属表面完全被细胞所覆盖，并可见多孔钽金属孔隙内部充满细胞，并分泌基质覆盖在材料表面。另外将多孔钽切割制作成直径为0.5cm、长0.7cm大小的圆片状，植入兔背部筋膜及肌肉处，观察多孔钽植入后与周围结缔组织纤维相容性。12周后，发现多孔钽被结缔组织包围，局部没有红肿、破溃、流脓等炎症反应和肿瘤形成。Van Gieson染色结果表明，皮下植入的多孔钽完全整合到结缔组织中，无免疫排斥反应。证实了新型多孔钽支架材料具有良好体内体外生物相容性，进而可为下一步进行骨植入提供可靠的理论基础。
3.针对BMSCs具有向成骨细胞转化的潜力和特性，体外培养骨髓基质干细胞结合多孔钽形成复合体，植入兔股骨坏死区域，观察其改善成骨以及骨修复的情况。首先通过体外实验我们采用骨髓基质干细胞分别与多孔碳化硅、多孔钛金属和自制新型多孔钽金属共同培养，7天培养后与多孔钽支架组的细胞增殖均高于Ti合金和SiC支架组(P＜0.05);通过细胞的成骨诱导，并经茜素红染色和碱性磷酸酶钴钙法染色进一步验证了所提取、培养的细胞符合干细胞具有成骨分化的特性;将骨髓基质干细胞与多孔钽支架复合培养，细胞数量随着复合培养的天数也不断增加。两周后，可荧光定量PCR检测到多孔钽金属复合培养组的骨钙素、骨桥蛋白表达增高，证实了多孔钽金属具有一定促进骨生成作用;在体内实验中，制备成激素型骨坏死模型并多孔钽金属及复合细胞后植入修复骨坏死，进行植入物周围骨组织免疫组织化学染色，结果显示两组间骨组织内均有不同程度的BMP-2和VEGF表达，在骨髓、微血管周围及周围骨组织内可见黄褐色颗粒，其中多孔钽金属联合BMSCs组深染，表达较明显，12周时强烈表达，多孔钽金属联合BMSCs组明显高于对照组，有明显差异，具有统计学意义(P＜0.05);硬组织切片结果显示在单纯植入多孔钽12周后，多孔钽的孔隙几乎全部被新生的类骨质所填充，多孔钽联合BMSCs共培养组，可见再生的骨小梁(红色)在多孔钽的内部。通过此次试验再次证明了新型多孔钽金属具有良好的生物相容性，符合骨植入材料的基本要求;动物试验结果表明多孔钽金属联合骨髓基质干细胞修复骨坏死取得了良好的效果，可为治疗中晚期骨坏死提供一些思路和选择。
4.应用新型多孔钽棒复合骨髓基质干细胞联合带血管蒂髂骨瓣转移方法对青壮年股骨头缺血性坏死病人进行了保留股骨头的手术治疗，在明确骨髓基质干细胞具有促成骨作用，多孔钽金属棒具有诱导骨生长及生物力学支撑的情况下，研究联合带血管蒂髂骨瓣转移治疗股骨头坏死，对中晚期的年轻股骨头坏死病人进行了治疗，取得了满意的疗效，研究结果发现新型多孔钽棒复合骨髓基质干细胞联合带血管蒂骼骨瓣转移有效的清除了股骨头内坏死骨，促进了股骨头内新骨再生，提供了可靠的血供及生物力学支撑，预防塌陷的进一步发生，并且不增加手术的并发症。