多孔塊狀生物活性玻璃骨替代材料修復兔骨缺損的實驗研究.pdf

1、研究背景：
　　 由于創(chuàng)傷、感染、腫瘤切除及先天性疾病等各種原因導致的骨缺損一直是骨科領域棘手而具有挑戰(zhàn)性的課題。骨移植是目前臨床治療骨缺損的主要方法,自體骨移植是治療骨缺損的“金標準”；但存在供骨來源有限,影響供區(qū)功能等缺點,而且需要額外手術,增加了疼痛、出血、供體部位感染以及神經(jīng)血管損傷的風險；同種異體骨移植雖然來源相對充足且可避免手術給患者帶來的疼痛、感染等由于自體取骨帶來的并發(fā)癥,但其具有一定的抗原性,存在排斥反應及傳播

2、HIV、肝炎等疾病的危險,各種金屬或高分子材料多作為永久性植入體,不能被吸收滯留于體內妨礙組織的改建與完全修復。因此,客觀上要求人們尋找理想的骨替代物。理想的骨移植替代材料必須具有良好的生物相容性；優(yōu)良的生物可降解性；三維立體多孔結構；良好的可塑性和一定的機械強度以及良好的材料——細胞界面；并易于消毒。
　　 20世紀70年代初,美國佛羅里達大學 L.L.Hench教授發(fā)明了生物活性玻璃,將其植入生物體內后材料中的組分可以同生物

3、體內的組分互相交換或者反應,最終形成與生物體本身相容的物質,并成功應用于人體硬組織的修復。生物玻璃成功的應用不僅來源于它良好的骨傳導作用,骨引導性,更重要的是其具有促進骨組織生長的骨誘導性。生物活性玻璃是迄今為止報道的惟一可以與骨組織和軟組織良好鍵合的骨修復材料。其他人造材料植入到人體內后都將引發(fā)異體反應并在人體組織與材料的界面處形成非黏附性的瘢痕組織；而生物活性玻璃在植入體內后并不形成界面瘢痕組織,相反它們與活體骨形成骨鍵結合而牢固地

4、穩(wěn)定在植入處。生物活性玻璃也是目前惟一能促進生長因子生成、促進細胞繁衍和活化細胞基因的人工無機材料。因此；被認為是一種理想的骨替代材料,但是理想的骨替代物還應具備合理的三維空間結構。
　　 研究表明,多孔材料的高孔隙率和較大的孔徑使材料表面積增大,進而提高了材料與人體體液或組織的作用范圍,增強了材料與組織的界面結合強度,有利于細胞黏附生長,細胞外基質沉積,營養(yǎng)和氧氣進入,也有利于血管和神經(jīng)長入,從而加速材料降解,促進新生骨形成。

5、而常用的生物玻璃密實無孔、比表面積小,不利于骨組織和血管長入。本研究將生物活性玻璃骨替代材料制成多孔塊狀使其更加符合自然骨的結構特點,以期進一步提高材料的降解性能和成骨性能。本實驗通過建立兔股骨遠端骨缺損模型,植入新型多孔材料,并通過對骨缺損區(qū)新生骨和材料降解的觀察,并與傳統(tǒng)生物活性玻璃比較,評價其體內生物相容性,驗證其在修復骨缺損和生物降解性能方面是否具有優(yōu)勢。
　　 目的：
　　 通過將新型多孔塊狀生物活性玻璃骨替代

6、材料植入新西蘭兔股骨髁骨缺損處,探討多孔塊狀生物活性玻璃骨替代材料的骨缺損修復能力和體內生物相容性,揭示影響骨替代材料降解性能和成骨性能的相關因素。為臨床應用提供實驗依據(jù),從而獲得具有廣闊應用前景的新型骨修復材料。
　　 研究方法：
　　 1、電子顯微鏡觀察材料的顯微形貌
　　 將材料表面噴鍍金膜,上機掃描觀察材料的表面形貌和微孔結構。
　　 2、兔股骨髁骨缺損修復實驗
　　 取30只健康成年新西

7、蘭大白兔,根據(jù)股骨遠端骨缺損中植入的材料不同隨機分成3組,每組10只,20側。嚴格無菌條件下于兔股骨外上髁處用直徑6mm環(huán)形鉆垂直間斷鉆入,最終形成直徑為6mm、深10mm～12mm的骨缺損。骨缺損處實驗組植入新型多孔塊狀可吸收生物活性玻璃骨替代材料,材料對照組植入常用非多孔生物活性玻璃骨替代材料,空白對照組不植入任何材料。
　　 3、X線檢查
　　 于術后6、12周處死實驗動物,當天行雙側股骨遠端正側位X線檢查,觀察材

8、料的降解和骨缺損的修復情況。
　　 4、顯微CT檢查
　　 將標本置于 Micro—CT系統(tǒng)的掃描杯,沿取材標本的縱軸自上向下掃描,獲取連續(xù)的 Micro—CT圖像。并各組標本的圖象數(shù)據(jù)進行三維重建觀察。并采用 Microview ABA軟件定量分析植骨處新生骨組織礦物質含量(TMC)、骨體積分數(shù)(BVF)。用Overlay疊加的方法用不同的顏色來復合顯示各個標本植骨區(qū)域內的降解剩余材料和新生骨。
　　 5、塑料

9、包埋不脫鈣切片組織學檢測
　　 取材后于10％中性福爾馬林液內固定,梯度乙醇脫水,聚甲基丙烯酸甲酯包埋,Leica1600型切片機沿股骨矢狀面切片,厚度100um,Van Gieson(V.G)染色。
　　 切片染色后在Leica顯微鏡16×鏡下用利用 InStudio Version圖像分析軟件采集整個骨缺損植骨區(qū)視野,用 Image pro plus6.0圖像分析軟件系統(tǒng)測量各組新生骨占骨缺損面積的百分比以及未降解材

10、料占骨缺損面積百分比。
　　 結果：
　　 1、掃描電鏡觀察顯示實驗組材料均為珊瑚狀多孔結構,氣孔多為連通氣孔。多孔材料的氣孔分布為大孔——微孔結構,大孔孔徑為100～300 um,大部分相互連通,對照組為均勻致密的微顆粒。
　　 2、兩種材料植入動物體內后均無感染和排斥反應。6周取材時肉眼觀察植骨部位無化膿、滲液；骨缺損邊界尚清晰,兩組均可見材料開始降解,新生骨部分覆蓋材料,空白組骨缺損區(qū)纖維包膜下尚無骨質形成

11、。12周時,實驗組、對照組股骨髁外側骨缺損處均被新生骨質覆蓋,骨缺損邊界模糊。
　　 3、X線觀察結果
　　 術后6周,實驗組和對照組植骨區(qū)材料逐漸降解,材料內部結構不均勻,與宿主骨界限模糊。實驗組骨缺損邊緣及植入材料已較模糊,材料與宿主骨融為一體,骨缺損區(qū)陰影密度大部分接近宿主骨；對照組材料密度較實驗組高。術后12周,實驗組材料面積進一步縮小,材料與周圍正常骨的密度相當,與周圍宿主骨之間的界線難以分辨,對照組材料密度較

12、實驗組稍高,邊緣部分與正常骨密度相似,空白組于骨缺損邊緣處可見少量無序新骨生成影。
　　 4、顯微CT觀察及測量結果
　　 術后6周,二維切面顯示實驗組和對照組材料密度較周圍宿主骨密度高,材料與宿主骨之間無間隔但界限尚清楚。實驗組材料顆粒較大,密度不均,植骨區(qū)中間及塊狀材料內部出現(xiàn)密度減低區(qū)；對照組材料顆粒較小大小均勻一致,植骨區(qū)中間及材料內部密度均勻致密。三維重建顯示實驗組材料與宿主骨連接處有較多骨小梁形成,并相互連接

13、成網(wǎng)絡狀,骨缺損中心部骨小梁相對稀疏；對照組植骨區(qū)周邊部骨小梁形成較實驗組稀少,中心部新生骨小梁更加稀少,排列凌亂?？瞻捉M骨缺損邊界清晰,無新生骨形成。
　　 術后12周時實驗組和對照組材料密度與周圍宿主骨密度接近,對照組較實驗組密度稍高。實驗組材料幾乎完全降解,骨缺損完全修復,骨小梁成片或成網(wǎng)狀生長,髓腔形成；對照組植骨中心區(qū)材料尚未完全降解,空白組骨缺損未愈合。
　　 Microview ABA軟件定量分析結果顯示術

14、后三個組在不同時間點新生骨的TMC、BVF均有顯著差異,12周時均高于6周；且不同組間新生骨的 TMC、BVF均有顯著差異,實驗組>對照組>空白組,差異有統(tǒng)計學意(P<0.05)；說明隨著時間的延長各組新生骨均明顯增加,但實驗組材料具有更快的成骨性能。
　　 5、組織學觀察
　　 術后6周時,實驗組植骨區(qū)周邊部材料降解吸收明顯,中心區(qū)殘留材料較周邊部多,周邊部可見較多新生骨小梁并向骨缺損中心區(qū)長入,對照組植骨區(qū)周邊部材料

15、部分降解吸收,中心區(qū)材料未見明顯顆粒崩解現(xiàn)象,少量新生骨長入材料內部,新生骨主要為尚未成熟的類骨質；空白組可見少量無序的新生骨形成。
　　 術后12周時,實驗組骨缺損邊緣界限不清,植骨區(qū)周邊部材料幾乎完全降解消失,新生骨小梁似松質骨,并可見成熟哈佛氏系統(tǒng)散布于新生骨內,骨小梁塑形改建有序排列。對照組植骨中心區(qū)材料逐漸降解吸收,新生骨小梁生長延伸、分割包繞殘留材料,類骨質向成熟骨組織轉化?？瞻捉M少量新生骨在骨缺損邊緣形成。

16、　　 計算機圖像分析軟件計算各組新生骨占骨缺損面積的比、殘留未降解材料占骨缺損的面積比,結果顯示:術后三組在12周時新生骨占骨缺損的面積比與6周時相比有顯著差異,且不同組間新生骨占骨缺損的面積比也有顯著差異,差異均有統(tǒng)計學意(P<0.05)；實驗組和對照組在不同時間點未降解殘留材料占骨缺損的面積比有顯著差異,且不同組間未降解殘留材料占骨缺損的面積比也有顯著差異,差異有統(tǒng)計學意(P<0.05)。
　　 結論：
　　 1、