多孔塊體生物活性玻璃成骨活性、生物力學(xué)性能的初步研究.pdf

1、創(chuàng)新和應(yīng)用完美的骨移植材料來(lái)替代自體骨，治療和修復(fù)各種原因引起的骨缺損，一直是骨科臨床醫(yī)生和材料研究人員共同追求的目標(biāo)。理想的植骨材料應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：良好的生物相容性、生物可降解性、骨傳導(dǎo)性、骨激發(fā)性、較高的孔隙率合適的孔徑范圍、臨床使用方便、足夠的力學(xué)強(qiáng)度及合適的彈性模量。生物活性玻璃（Bioglass）由于其良好的生物相容性、良好的骨傳導(dǎo)和骨激發(fā)作用而被材料學(xué)者所關(guān)注，然而目前臨床上應(yīng)用的生物活性玻璃無(wú)法提供較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，無(wú)法應(yīng)

2、用于承重部位骨缺損的修復(fù)和治療。因此，改良和提高生物活性玻璃的生物力學(xué)性能同時(shí)又保持其良好的促進(jìn)骨激發(fā)的能力，成為廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本課題組成員與美國(guó)諾邦公司生物制品有限公司合作，通過(guò)改良生物活性玻璃的成分及制作工藝，制作了新型多孔塊體生物活性玻璃（macro-pore bone block，MPBB）。本研究旨在驗(yàn)證MPBB是否在擁有一定的生物力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)，又具有良好的生物相容性，且能刺激骨組織再生。
　　多孔塊體生物活性玻

3、璃對(duì)成骨細(xì)胞粘附、增殖以及分化影響的體外研究
　　目的：
　　探討多孔塊狀生物玻璃（MPBB）在體外環(huán)境中對(duì)成骨細(xì)胞粘附、增殖以及分化的影響。
　　方法：
　　1．以β-磷酸三鈣（β-TCP）為對(duì)照，掃描電鏡下分析比較MPBB與β-TCP的形態(tài)結(jié)構(gòu)、能譜分析兩種材料的主要成分；
　　2．將 MPBB與β-TCP分別懸浮浸泡于模擬體液中，掃描電鏡下觀察兩種材料的表面反應(yīng)；
　　3．利用MPBB與β-TC

4、P浸提液培養(yǎng)MC3T3-E1小鼠成骨細(xì)胞，光學(xué)顯微鏡下觀察細(xì)胞大體情況并進(jìn)行吉姆薩染色進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)比較；
　　4．將MC3T3-E1小鼠成骨細(xì)胞直接種植于MPBB與β-TCP材料上，掃描電鏡下觀察細(xì)胞粘附材料情況，利用MPBB與β-TCP浸提液培養(yǎng)MC3T3-E1小鼠成骨細(xì)胞，進(jìn)行細(xì)胞黏著斑蛋白（Venculin）免疫熒光染色比較兩種材料對(duì)成骨細(xì)胞的核質(zhì)比、Venculin免疫熒光強(qiáng)度；
　　5．利用MPBB與β-TCP浸提

5、液培養(yǎng)MC3T3-E1小鼠成骨細(xì)胞，進(jìn)行BrdU免疫熒光染色及MTT檢測(cè)比較兩組成骨細(xì)胞的Brdu陽(yáng)性細(xì)胞比率及OD值；
　　6．利用MPBB與β-TCP浸提液培養(yǎng)MC3T3-E1小鼠成骨細(xì)胞，進(jìn)行成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子（OSX）免疫熒光染色檢測(cè)、堿性磷酸酶（ALP）染色、鈣結(jié)節(jié)檢測(cè)、實(shí)時(shí)定量PCR檢測(cè)比較兩組成骨細(xì)胞的OSX陽(yáng)性細(xì)胞比率、ALP活性率、礦化率及成骨基因mRNA相對(duì)表達(dá)量。
　　結(jié)果：
　　1．掃描電鏡

6、下觀察比較MPBB與β-TCP，發(fā)現(xiàn)MPBB表面更加崎嶇，更加疏松多孔、不平整，能譜分析發(fā)現(xiàn)，MPBB具有β-TCP所沒(méi)有的Si元素，而β-TCP中Ca、P的含量最多。
　　2．MPBB與β-TCP的模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，MPBB在浸泡6小時(shí)時(shí)已有羥基磷灰石沉積，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)羥基磷灰石的沉積量逐漸增加，而β-TCP表面始終沒(méi)有羥基磷灰石形成。
　　3．吉姆薩染色結(jié)果顯示MPBB組的成骨細(xì)胞數(shù)量更多，排列規(guī)則緊密，在光

7、學(xué)顯微鏡400×鏡下計(jì)數(shù)，MPBB組成骨細(xì)胞個(gè)數(shù)為106.0±6.025，β-TCP組成骨細(xì)胞個(gè)數(shù)為40.20±3.639，兩者差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01）。
　　4．將MC3T3-E1小鼠成骨細(xì)胞直接種植于MPBB與β-TCP材料上，掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)MPBB組成骨細(xì)胞偽足較β-TCP多，粘附狀態(tài)更好，Venculin免疫熒光染色結(jié)果顯示MPBB組成骨細(xì)胞核質(zhì)比、Venculin熒光強(qiáng)度較β-TCP組高，兩組差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意

8、義（P<0.05）。
　　5．BrdU免疫熒光染色結(jié)果顯示MPBB組的Brdu陽(yáng)性細(xì)胞比率比β-TCP組高，兩組差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；MTT結(jié)果顯示第3天時(shí)MPBB組成骨細(xì)胞OD值較β-TCP組高，兩組差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），第5天時(shí)，兩組細(xì)胞OD值都有增高，但MPBB組OD值明顯較β-TCP組高，兩者差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01）。
　　6．OSX免疫熒光染色檢測(cè)中，MPBB組OSX陽(yáng)性細(xì)胞比

9、率較β-TCP組高，兩組差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01）；ALP染色定量分析發(fā)現(xiàn)，MPBB組的成骨細(xì)胞ALP活性率較β-TCP組高，兩組差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01）；鈣結(jié)節(jié)檢測(cè)結(jié)果也表明，MPBB組的成骨細(xì)胞礦化率較β-TCP組高，兩組差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；實(shí)時(shí)定量PCR檢測(cè)兩組成骨細(xì)胞的成骨相關(guān)基因表達(dá)量結(jié)果顯示，第4天時(shí)MPBB組成骨細(xì)胞的ALP、OCN（骨鈣素）、Collagen1（1型膠原蛋白）的mRNA相

10、對(duì)表達(dá)量已超過(guò)β-TCP組，且差異都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，到第7天時(shí)，MPBB組成骨基因mRNA相對(duì)表達(dá)量進(jìn)一步增加。
　　小結(jié)：
　　MPBB相對(duì)于β-TCP含有較多的Si元素，能促進(jìn)MC3T3-E1細(xì)胞的貼附能力，并對(duì)其增殖、活力及成骨分化都具有明顯的促進(jìn)作用，具有較好的生物活性。
　　多孔塊體生物活性玻璃在兔體內(nèi)成骨活性、力學(xué)性能的初步研究
　　目的：
　　探討多孔塊體生物玻璃植入兔體內(nèi)后的生物活性生物相容

11、性、成骨能力以及生物力學(xué)性能。
　　方法：
　　制作新西蘭大白兔雙側(cè)股骨髁缺損模型，分別于股骨髁缺損部植入多孔塊體生物玻璃（MPBB）、β-磷酸三鈣（β-TCP）、固骼生?（NoveBone），按植入材料的不同分為三組，即為MPBB組、β-TCP組、NoveBone組，術(shù)后進(jìn)行X線(xiàn)檢查觀察材料放置情況及固定是否牢固、髁部有無(wú)骨折，并于術(shù)后4周、12周、24周取材后，通過(guò)Micro-CT檢測(cè)三組材料的新骨生成體積百分比及剩余材

12、料體積百分比，采用四環(huán)素、鈣黃綠素?zé)晒怆p標(biāo)檢測(cè)三組材料的新骨生成速率，通過(guò)不脫鈣硬組織Van Gieson染色檢測(cè)三組材料的新骨生成面積百分比，通過(guò)生物力學(xué)檢測(cè)三組材料的壓縮強(qiáng)度、彈性模量。
　　結(jié)果：
　　術(shù)后 X線(xiàn)檢查顯示各組材料填充充分、完全，放置情況良好；Micro-CT結(jié)果顯示，12周時(shí) MPBB組、β-TCP組、NoveBone組的新骨生成體積百分比分別為（16.83±1.01，9.88±1.23，21.35±1

13、.27），材料剩余體積百分比分別為（50.96±1.37，68.29±3.93，19.37±1.40），24周時(shí)，MPBB組、β-TCP組、NoveBone組的新骨生成百分比分別為（37.48±0.70，25.29±1.45，27.03±1.25），24周時(shí)MPBB組與β-TCP組、NoveBone組比較差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），24周時(shí)各組材料剩余體積百分比分別為（34.67±3.52，55.66±2.05，7.52±1

14、.15），β-TCP組較MPBB組比較差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），而MPBB組較NoveBone組比較差異也具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）；熒光雙標(biāo)結(jié)果顯示，4周時(shí)MPBB組、β-TCP組、NoveBone組的新骨生成速率分別為（1.577±0.045,2.064±0.068,1.19±0.09）um/d，MPBB組較β-TCP組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）；通過(guò)Van Gieson染色檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，MPBB組、β-TCP組、

15、NoveBone組在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)新骨生成面積百分比分別為4周時(shí)（5.43±1.25，2.77±0.85，6.51±1.21），12周時(shí)（8.48±0.84，2.94±0.65，11.42±2.66），24周時(shí)（23.55±1.13，12.92±0.45，19.53±0.91），24周時(shí)MPBB組新骨生成面積百分比與β-TCP組、NoveBone組比較差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）；生物力學(xué)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MPBB組與β-TCP組的壓

16、縮強(qiáng)度隨著時(shí)間延長(zhǎng)都有一定程度的增加，兩者的壓縮強(qiáng)度比較沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義， MPBB組彈性模量術(shù)后三個(gè)時(shí)間點(diǎn)都較穩(wěn)定，MPBB組和NoveBone組在彈性模量方面更接近兔骨，β-TCP組的彈性模量植入體內(nèi)后變化較大。
　　小結(jié)：
　　MPBB植入兔體內(nèi)后，表現(xiàn)出了良好的生物活性、生物相容性，同時(shí)具有較好的骨激發(fā)作用，且植入體內(nèi)后，具有較強(qiáng)的生物力學(xué)性能，為其下一步應(yīng)用于負(fù)重部位骨缺損的植骨提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　結(jié)論：