3Dプリント多孔質インプラント周囲の骨統合と骨形成に及ぼす即時静的負荷の影響：組織学的および生体力学的研究

Effects of immediately static loading on osteointegration and osteogenesis around 3D-printed porous implant: A histological and biomechanical study.

抄録

3Dプリンターで作製した多孔質インプラントは、治癒初期に機械的刺激がなくても、良好な骨統合と骨形成を達成することができる。本研究の目的は、3Dプリン ト多孔質インプラント周囲の骨統合と骨形成に及ぼす直後の静的負荷の影 響を評価することである。15匹のウサギの大腿骨に、最適な配置の30個の多孔質インプラントを両側から設置した。左側の負荷群には、小型の内蔵型負荷装置によって提供される10Nの最大初期荷重をかけ、反対側の非負荷群には、10Nの最大初期荷重をかけた。術後2、4、8週目に摘出骨を採取し、生物学的固定強度を測定するための押し出し試験を行った。新生骨の量と質は、組織学的検査、マイクロCT、骨密度分析によって評価した。さらに、動物データを有限要素モデルに統合し、インプラント周囲骨のバイオメカニクスを評価した。その結果、新生骨の量、質、生体力学的特性は、治癒時間と共に増加し、最適化されることが示された。また、インプラント埋入直後の静的荷重は、埋入後2週間で質の劣る新生骨の量を増加させ、時間が経過するにつれて徐々に悪影響が現れることが示された。さらに、有限要素法の結果から、多孔質インプラント周囲の新生骨の初期構造は機能的荷重に適していないことが示された。この研究により、多孔質インプラント周囲の新生骨は、距離的骨形成と接触的骨形成の2つの骨形成様式があることが示された。したがって、遅延および漸進的な荷重プロトコールが推奨された。

The 3D-printed porous implant is capable of achieving favorable osteointegration and osteogenesis in the absence of mechanical stimulation during the early healing period. The purpose of this study is to evaluate the impact of immediately static loading on bone osteointegration and osteogenesis around the 3D-printed porous implant. Thirty porous implants with optimal configuration were installed bilaterally into femurs of 15 rabbits. The Load group on the left side was applied the maximal initial load of 10 N offered by a diminutive and built-in loading device and the Non-load group was on the contralateral side. At 2, 4, and 8 weeks post-operatively, the explants were harvested for push-out test to measure the biological fixation strength. The quantity and quality of new bone were evaluated by the means of histological examination, Micro-CT and bone density analysis. Moreover, the animal data were integrated into finite element models to assess the biomechanics of peri-implant bone. The results indicated that the quantity, quality and biomechanical properties of the new bone increased and optimized along with the healing time. It also demonstrated that the immediately static loading increased the volume of new bone with inferior quality in 2 weeks after implantation and the adverse influence emerged gradually as time extended. Moreover, finite element results demonstrated that the early structures of new bone around porous implant were not suitable for functional loading. This study indicated the mineralization modes of distance osteogenesis and contact osteogenesis around the porous implant. Accordingly, the delay and progressive loading protocol was recommended.