多孔塊狀生物活性玻璃骨替代材料修復(fù)兔骨缺損的實(shí)驗(yàn)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?qū)е碌墓侨睋p一直是骨科領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)”；但存在供骨來(lái)源有限,影響供區(qū)功能等缺點(diǎn),而且需要額外手術(shù),增加了疼痛、出血、供體部位感染以及神經(jīng)血管損傷的風(fēng)險(xiǎn)；同種異體骨移植雖然來(lái)源相對(duì)充足且可避免手術(shù)給患者帶來(lái)的疼痛、感染等由于自體取骨帶來(lái)的并發(fā)癥,但其具有一定的抗原性,存在排斥反應(yīng)及傳播

2、HIV、肝炎等疾病的危險(xiǎn),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(nèi)妨礙組織的改建與完全修復(fù)。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(jié)構(gòu)；良好的可塑性和一定的機(jī)械強(qiáng)度以及良好的材料——細(xì)胞界面；并易于消毒。
　　 20世紀(jì)70年代初,美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué) L.L.Hench教授發(fā)明了生物活性玻璃,將其植入生物體內(nèi)后材料中的組分可以同生物

3、體內(nèi)的組分互相交換或者反應(yīng),最終形成與生物體本身相容的物質(zhì),并成功應(yīng)用于人體硬組織的修復(fù)。生物玻璃成功的應(yīng)用不僅來(lái)源于它良好的骨傳導(dǎo)作用,骨引導(dǎo)性,更重要的是其具有促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)的骨誘導(dǎo)性。生物活性玻璃是迄今為止報(bào)道的惟一可以與骨組織和軟組織良好鍵合的骨修復(fù)材料。其他人造材料植入到人體內(nèi)后都將引發(fā)異體反應(yīng)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(nèi)后并不形成界面瘢痕組織,相反它們與活體骨形成骨鍵結(jié)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(jìn)生長(zhǎng)因子生成、促進(jìn)細(xì)胞繁衍和活化細(xì)胞基因的人工無(wú)機(jī)材料。因此；被認(rèn)為是一種理想的骨替代材料,但是理想的骨替代物還應(yīng)具備合理的三維空間結(jié)構(gòu)。
　　 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(jìn)而提高了材料與人體體液或組織的作用范圍,增強(qiáng)了材料與組織的界面結(jié)合強(qiáng)度,有利于細(xì)胞黏附生長(zhǎng),細(xì)胞外基質(zhì)沉積,營(yíng)養(yǎng)和氧氣進(jìn)入,也有利于血管和神經(jīng)長(zhǎng)入,從而加速材料降解,促進(jìn)新生骨形成。

5、而常用的生物玻璃密實(shí)無(wú)孔、比表面積小,不利于骨組織和血管長(zhǎng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn),以期進(jìn)一步提高材料的降解性能和成骨性能。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)建立兔股骨遠(yuǎn)端骨缺損模型,植入新型多孔材料,并通過(guò)對(duì)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(píng)價(jià)其體內(nèi)生物相容性,驗(yàn)證其在修復(fù)骨缺損和生物降解性能方面是否具有優(yōu)勢(shì)。
　　 目的：
　　 通過(guò)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(fù)能力和體內(nèi)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(guān)因素。為臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù),從而獲得具有廣闊應(yīng)用前景的新型骨修復(fù)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(jī)掃描觀察材料的表面形貌和微孔結(jié)構(gòu)。
　　 2、兔股骨髁骨缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn)
　　 取30只健康成年新西

7、蘭大白兔,根據(jù)股骨遠(yuǎn)端骨缺損中植入的材料不同隨機(jī)分成3組,每組10只,20側(cè)。嚴(yán)格無(wú)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(shí)驗(yàn)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(duì)照組植入常用非多孔生物活性玻璃骨替代材料,空白對(duì)照組不植入任何材料。
　　 3、X線檢查
　　 于術(shù)后6、12周處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,當(dāng)天行雙側(cè)股骨遠(yuǎn)端正側(cè)位X線檢查,觀察材

8、料的降解和骨缺損的修復(fù)情況。
　　 4、顯微CT檢查
　　 將標(biāo)本置于 Micro—CT系統(tǒng)的掃描杯,沿取材標(biāo)本的縱軸自上向下掃描,獲取連續(xù)的 Micro—CT圖像。并各組標(biāo)本的圖象數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhì)含量(TMC)、骨體積分?jǐn)?shù)(BVF)。用Overlay疊加的方法用不同的顏色來(lái)復(fù)合顯示各個(gè)標(biāo)本植骨區(qū)域內(nèi)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(xué)檢測(cè)
　　 取材后于10％中性福爾馬林液內(nèi)固定,梯度乙醇脫水,聚甲基丙烯酸甲酯包埋,Leica1600型切片機(jī)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(gè)骨缺損植骨區(qū)視野,用 Image pro plus6.0圖像分析軟件系統(tǒng)測(cè)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(jié)果：
　　 1、掃描電鏡觀察顯示實(shí)驗(yàn)組材料均為珊瑚狀多孔結(jié)構(gòu),氣孔多為連通氣孔。多孔材料的氣孔分布為大孔——微孔結(jié)構(gòu),大孔孔徑為100～300 um,大部分相互連通,對(duì)照組為均勻致密的微顆粒。
　　 2、兩種材料植入動(dòng)物體內(nèi)后均無(wú)感染和排斥反應(yīng)。6周取材時(shí)肉眼觀察植骨部位無(wú)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(wú)骨質(zhì)形成

11、。12周時(shí),實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組股骨髁外側(cè)骨缺損處均被新生骨質(zhì)覆蓋,骨缺損邊界模糊。
　　 3、X線觀察結(jié)果
　　 術(shù)后6周,實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組植骨區(qū)材料逐漸降解,材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻,與宿主骨界限模糊。實(shí)驗(yàn)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(duì)照組材料密度較實(shí)驗(yàn)組高。術(shù)后12周,實(shí)驗(yàn)組材料面積進(jìn)一步縮小,材料與周圍正常骨的密度相當(dāng),與周圍宿主骨之間的界線難以分辨,對(duì)照組材料密度較

12、實(shí)驗(yàn)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(wú)序新骨生成影。
　　 4、顯微CT觀察及測(cè)量結(jié)果
　　 術(shù)后6周,二維切面顯示實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組材料密度較周圍宿主骨密度高,材料與宿主骨之間無(wú)間隔但界限尚清楚。實(shí)驗(yàn)組材料顆粒較大,密度不均,植骨區(qū)中間及塊狀材料內(nèi)部出現(xiàn)密度減低區(qū)；對(duì)照組材料顆粒較小大小均勻一致,植骨區(qū)中間及材料內(nèi)部密度均勻致密。三維重建顯示實(shí)驗(yàn)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(luò)狀,骨缺損中心部骨小梁相對(duì)稀疏；對(duì)照組植骨區(qū)周邊部骨小梁形成較實(shí)驗(yàn)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(wú)新生骨形成。
　　 術(shù)后12周時(shí)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組材料密度與周圍宿主骨密度接近,對(duì)照組較實(shí)驗(yàn)組密度稍高。實(shí)驗(yàn)組材料幾乎完全降解,骨缺損完全修復(fù),骨小梁成片或成網(wǎng)狀生長(zhǎng),髓腔形成；對(duì)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(jié)果顯示術(shù)

14、后三個(gè)組在不同時(shí)間點(diǎn)新生骨的TMC、BVF均有顯著差異,12周時(shí)均高于6周；且不同組間新生骨的 TMC、BVF均有顯著差異,實(shí)驗(yàn)組>對(duì)照組>空白組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意(P<0.05)；說(shuō)明隨著時(shí)間的延長(zhǎng)各組新生骨均明顯增加,但實(shí)驗(yàn)組材料具有更快的成骨性能。
　　 5、組織學(xué)觀察
　　 術(shù)后6周時(shí),實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)入,對(duì)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(zhǎng)入材料內(nèi)部,新生骨主要為尚未成熟的類骨質(zhì)；空白組可見少量無(wú)序的新生骨形成。
　　 術(shù)后12周時(shí),實(shí)驗(yàn)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(zhì)骨,并可見成熟哈佛氏系統(tǒng)散布于新生骨內(nèi),骨小梁塑形改建有序排列。對(duì)照組植骨中心區(qū)材料逐漸降解吸收,新生骨小梁生長(zhǎng)延伸、分割包繞殘留材料,類骨質(zhì)向成熟骨組織轉(zhuǎn)化?？瞻捉M少量新生骨在骨缺損邊緣形成。

16、　　 計(jì)算機(jī)圖像分析軟件計(jì)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(jié)果顯示:術(shù)后三組在12周時(shí)新生骨占骨缺損的面積比與6周時(shí)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(jì)學(xué)意(P<0.05)；實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在不同時(shí)間點(diǎn)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(jì)學(xué)意(P<0.05)。
　　 結(jié)論：
　　 1、