可注射性a-磷酸三鈣復合人工骨的成骨性能及生物力學研究.pdf

1、研究背景骨折、骨腫瘤、老年性骨質疏松和人工關節(jié)的翻修等是骨科的常見病和多發(fā)病，這些疾病在治療過程中，常常因骨質缺損，而要進行骨移植修復。隨著現代人口老化，骨移植的病例將越來越常見。骨移植是僅次于輸血的第二大移植組織。自體骨移植目前依然被認為是植骨的“金標準”，因為它具備了理想骨移植的三大要素即1)骨引導基質；2)骨干細胞；3)骨誘導生長因子。但自體骨移植也有其不足，首先是增加了病人手術痛苦和手術時間，術后感染、疼痛、局部出血和神經損傷等

2、問題，其次是骨塊來源有限。對于這些情況，目前臨床上主要應用同種異體骨和異種異體骨。這兩種移植骨除了存在免疫排斥問題外，同時存在傳染疾病的潛在風險。針對自體骨和異體骨存在的種種問題，人們對人工骨的研究熱情與日俱增。人工骨不僅來源廣，存儲方便，無需骨庫，可根據需要改變結構和力學性能，并可根據骨缺損形態(tài)進行塑形。它能原位固化，這為開展微創(chuàng)外科治療提供了良好的途徑。 目前在臨床上應用較多的是硫酸鈣和磷酸鈣類人工骨。硫酸鈣用于填充骨缺損由

3、來已久，硫酸鈣具有良好的生物相容性，但缺點是吸收較快和支撐強度低，與骨生長不同步，不利于大塊骨缺損的修復。磷酸鈣作為一種骨的修復材料，在臨床上以應用了100多年。1986年，Brown和Chow第一個研制出了一種新型可原位固化的磷酸鈣人工骨，這個發(fā)現將磷酸鈣作為替代骨推向了一個新時代。通過不同鈣磷化合物的配比，可以制備出不同部位需要的可進行調控降解的人工骨產品。由于可注射性人工骨的終產物具有較大的表面積，因此比傳統(tǒng)的磷酸鈣產品具有更好的

4、可降解性。 研究目的本研究通過對可注射性α-磷酸三鈣(α-TCP)和α-磷酸三鈣加20％硫酸鈣(α-TCP+CSH)兩種材料的成分、理化性狀、成骨性能和與骨結合的情況，并用新的生物力學方法對其進行評價。同時對加入硅后的骨結合能力進行比較性研究，對材料進行一些改良提供基礎。 材料與方法 1.可注射性磷酸鈣人工骨的制備 α-磷酸三鈣人工骨的制備α-磷酸三鈣人工骨主要采用高溫煅燒的方法制備，固相成分按2∶1的比

5、例將分析純的無水磷酸氫鈣和分析純的碳酸鈣機械混合15分鐘，在1300℃加熱12小時，淬火，碾成粉狀，顆粒大小(D0.5)為7μm。材料的鑒定采用X光衍射圖分析(XRD)。混合時用2.5％的磷酸氫二鈉(Nα2HPO4)按液粉比0.32mLg-1和0.34mLg-1比較選擇備用。α-磷酸三鈣+20％重量的硫酸鈣將α-磷酸三鈣與20％半水硫酸鈣混合后用2.5％的磷酸氫二鈉(Nα2HPO4)按液粉比0.34mLg-1和0.36mLg-1混合選擇

6、，或與1％硅混合備用。 2.可注射性α-TCP和α-TCP+CαS人工骨凝固時間的測定采用Gillmore雙針法測定兩種人工骨的初凝時間與終凝時間。將測試分為三組，分別測定α-磷酸三鈣和α-磷酸三鈣加20％半水硫酸鈣兩種材料在溫度21℃時，濕度50％和100％以及溫度37℃時，濕度100％時的初凝和終凝時間，每組分別測試9個樣本。 3.可注射性磷酸鈣人工骨抗壓強度的測定 材料在模具內制成直徑4mm，高8mm的樣本

7、，在恒溫箱內放置1周后，將人工骨終產物從模具中取出，并固定在壓縮機上，用直徑2cm的球形壓頭以1mm/s的速度，下壓至模塊碎裂。力與位移曲線可計算出最大壓縮力及剛度。 4.可注射性磷酸鈣人工骨終產物成分的測定 將抗壓強度的測定完成后的人工骨研磨，并采用X光衍射的方法獲得圖譜和相關數據，并與各物質的標準圖譜相對照，確定產物的成分。 5.骨采集盒內成骨和骨結合情況研究 在雙側下肢的脛骨近端植入骨采集盒。骨采集

8、盒是一個7mm高，直徑6mm的鈦制空心圓柱體，外表面有螺紋，因此能旋入骨內，底部表面對應位置有兩個開口。圓柱體內有一活動內芯，在內芯底部有一個1×1×5mm的溝槽，這個溝槽與圓柱體底部表面的開口方向一致，這樣就能為組織長入提供了一個貫穿整個采集盒的連續(xù)性通道。取出內芯，即可完整的取出溝槽內長入的組織。骨采集盒可在該兔體內重復使用進行骨組織學研究。實驗用兔6只，在雙側下肢的脛骨近端植入骨采集盒。將材料按比例混合，按隨機的原則，在一側下肢的

9、骨采集盒的溝槽內放入α-TCP(injectαblebonesubstitute，IBS-1)或α-TCP+20％CαS(IBS-2)材料，對側肢體的骨采集盒不放置任何材料，作為空白對照。 術后3w和6w取出標本，所獲標本脫鈣后，HE和TRAP染色，觀察材料傳導骨的生長過程。用圖像分析系統(tǒng)測量新骨的生成量和殘余材料的面積。 6.含硅磷酸鈣人工骨的組織學研究 6只成年兔雙側脛骨近端植入骨采集盒，將含1％重量硅的可注

10、射性α磷酸三鈣放入一側骨采集盒內，并以單純的α磷酸三鈣人工骨放入另一側作為對照。術后1，2，3周取出骨采集盒內的組織，通過HE，Goldner，TRAP染色，進行光鏡觀察和組織學測量。 7.修復鼠骨缺損的生物力學及組織學研究 動物模型的制作實驗動物為Sprαgue-Dαwley鼠共45只，用直徑為3毫米的圓形空心鉆，分別于同側股骨遠端髁部和脛骨近端髁部鉆出4毫米深的圓形骨缺損。將混合后的IBS-1和IBS-2分別灌入1毫

11、升注射器內，注入缺損底部。用直徑4毫米的硅膠蓋蓋住缺損口，“U”形釘固定。根據取材時間，共分為六組，即1、4、7、21、42和84天?？瞻讓φ战M重復同樣手術過程，但不植入任何材料。 8.壓痕實驗標本取出后六小時內完成測試。將填充材料的骨缺損口水平放置在INSTRON8511力學測試機上，機上裝有2毫米直徑的金屬桿，放置在缺損口的中央上方，以1mmmin-1速度下移。記錄以力學測試機上起始數據為：0.094N時的相應下壓位移為零起

12、始點；以每下壓0.3mm時的相應力學數據為一記錄點；以下壓達2.5mm時的相應力學數據為最終測量數據，每樣本為8個數據；電腦記錄壓力變化，以相同方法測試空白對照組和正常松質骨的壓力值。并將相關的數據進行統(tǒng)計學分析，比較不同材料之間及同一材料不同時間點之間在應力的比較上是否存在差異；并將相關數據與空白組及正常松質骨組之間進行比較及統(tǒng)計學分析。 9.組織學觀察7、21、42和84天的標本取材后進行組織學檢查，經脫鈣，制片，H&E染色

13、。觀察比較各組間新骨的成骨和材料的殘余情況。掃描電鏡(SEM)測試，標本取出后經脫鈣、樹脂包埋、切片、噴金，日本JEOL-6400掃描電鏡(SEM，瑞典隆德大學)進行觀察，用掃描電鏡對材料與骨的生長、降解情況進行觀察。 研究結果 1.經XRD分析證實兩種可注射性人工骨IBS-1和IBS-2的終產物分別為α-TCP和α-TCP+20％CSH。 2.Gillmore雙針法測得IBS-1和IBS-2初凝時間和終凝時間均

14、受溫度和濕度影響。溫度越低，凝固時間越長；濕度越大，凝固時間越長。IBS-2在相同條件下，初凝和終凝時間均較IBS-1縮短。在溫度37℃，濕度100％時，IBS-1的初凝和終凝時間平均分別為34和53分鐘，IBS-2的初凝和終凝時間平均分別為22和44分鐘。 3.可注射性人工骨的終產物抗壓強度，IBS-1平均為33.8(范圍23.5～43.2)Mpα，而IBS-2的抗壓強度平均為22.5(范圍20.2～26.5)Mpα。

15、 4.骨采集盒內IBS-1和IBS-2兩種材料，術后3周和6周的兩組中，均有新骨形成，材料與新生骨間緊密連接，無纖維組織間隔，未見明顯的炎癥反應。新生骨內可見成骨細胞和破骨細胞，兩種材料和對照組間的新生骨量無顯著性差異。兩種材料之間及兩個時間段間的降解率亦無差異。 含1％重量硅的可注射性α磷酸三鈣中，實驗組和對照組材料均逐漸降解并與新生骨組織結合緊密，未見到異常的巨噬細胞，淋巴細胞和漿細胞，實驗組與對照組相比破骨細胞數目增加，成

16、骨細胞活性提高，覆蓋在材料表面的新骨增多。 5.修復鼠骨缺損的生物力學及組織學研究取材時，切口未見感染，硅膠蓋固定牢靠，未見脫落。7天時，空白組內僅有血塊充填，在材料組中，IBS-1材料中可見血細胞部分滲透到材料中，缺損內材料部分呈碎塊狀，IBS-2未見有血細胞滲透，材料大多完整。21天時，新生骨均見有和兩種材料的整合，42天時，新生骨逐漸成熟，在材料填充的缺損口覆蓋一層骨組織。84天，覆蓋缺損口的骨層較42天時增厚，新生骨占據

17、了缺損處的大部，并包裹著散在的殘余材料。IBS-2的殘余材料的量較IBS-1為少。掃描電鏡觀察顯示兩種材料與骨均形成緊密結合，新生骨呈不規(guī)則形向材料內生長。 6.壓痕實驗空白對照組，術后1、4和7天均無壓力負荷，21天后在測試桿初始位移階段，出現一個20牛頓的壓力，但隨著位移的繼續(xù)，壓力急劇減少。在填充材料的組中，兩種材料IBS-1和IBS-2，其1和4天組與正常松質骨的壓力值無顯著性差異。7天后各組兩種材料的局部抗壓強度均大于

18、松質骨。 研究結論 本研究中的可注射性IBS-1和IBS-2均具有易注射、生物相容性良好、骨傳導作用明顯、體內易于降解和吸收、骨組織內成骨作用明顯等特征，7天后兩種材料的抗壓強度均大于松質骨，是一種良好的骨替代物。IBS-2具有更短的凝固時間、更強的成骨作用和更快的材料降解速率。α-TCP+1％硅較單純IBS-1更有利于新骨的形成和材料的降解。自行設計的生物力學評價方法-壓痕實驗顯示IBS-1和IBS-2在體內一周后均具