多孔鉭鈮合金的制備與生物相容性研究.pdf

1、骨科生物材料在近半個(gè)世紀(jì)經(jīng)歷了飛速發(fā)展，但作為應(yīng)用最為廣泛的內(nèi)植物，傳統(tǒng)金屬材料仍面臨應(yīng)力遮擋和骨—植入物界面結(jié)合兩大問(wèn)題，普遍存在于脊柱、關(guān)節(jié)、創(chuàng)傷等領(lǐng)域。以多孔鉭為代表的多孔金屬是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型骨科生物材料，具有與松質(zhì)骨骨小梁結(jié)構(gòu)相似的孔隙結(jié)構(gòu)，適合骨組織長(zhǎng)入的孔隙大小及與骨組織相近的彈性模量，是目前生物材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。鈮具有良好的生物相容性，且可通過(guò)上調(diào)堿性磷酸酶活性增強(qiáng)成骨細(xì)胞功能表達(dá)，促進(jìn)成骨。本研究通過(guò)泡沫浸漬技術(shù)

2、與粉末冶金技術(shù)制備具有良好孔隙結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)性能的多孔鉭鈮合金，并通過(guò)體外與MC3T3-E1細(xì)胞共培養(yǎng)及體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)其組織相容性，為多孔鉭鈮合金的臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　2、多孔鉭鈮合金的制備及性能
　　目的:制備多孔鉭鈮合金并測(cè)定其理學(xué)性能。
　　方法:結(jié)合粉末冶金法和膠體浸漬法，通過(guò)成分設(shè)計(jì)制備三種不同Nb含量（5％，10％以及15％）的Ta-Nb多孔金屬并通過(guò)SEM，光學(xué)顯微鏡，力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等分別對(duì)材料的孔

3、隙度，孔隙結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)，力學(xué)強(qiáng)度以及彈性模量進(jìn)行觀察和表征。通過(guò)優(yōu)化和選擇，找到適合的Ta-Nb多孔合金成分以及制備該材料的最優(yōu)化的工藝。
　　結(jié)果:通過(guò)SEM和光學(xué)顯微鏡以及密度測(cè)試，三種成分的多孔材料兼具有55％左右的孔隙率，開(kāi)孔率在95％左右，孔隙大小在400μm左右，這些參數(shù)與材料的成分變化關(guān)系不大;通過(guò)壓縮試驗(yàn)和抗彎試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著Nb含量的增加彈性模量和壓縮強(qiáng)度在10％含量的Nb時(shí)，抗壓強(qiáng)度為83.43MPa，彈性模量

4、為2.54GPa，壓縮曲線顯示該材料具有良好的應(yīng)力塑性平臺(tái)。
　　結(jié)論:通過(guò)粉末冶金和膠體浸漬法成功制備出Ta-Nb多孔材料。在Nb含量10％的多孔鉭鈮合金具有最佳的孔隙結(jié)構(gòu)、開(kāi)孔率及力學(xué)性能指標(biāo)。
　　3、多孔鉭鈮合金體外對(duì)成骨細(xì)胞的分子相容性研究
　　目的:探討多孔鉭鈮合金對(duì)小鼠成骨細(xì)胞系MC3T3-E1的分子相容性。
　　方法:通過(guò)不同濃度多孔鉭鈮合金浸提液對(duì)小鼠成骨細(xì)胞系MC3T3-E1的毒性試驗(yàn)探討其安

5、全性。將MC3T3-E1細(xì)胞分別種植在多孔鉭鈮合金、多孔鉭及致密鉭鈮合金表面，進(jìn)行吖啶橙染色、細(xì)胞計(jì)數(shù)及掃描電鏡觀測(cè)細(xì)胞在三種材料表面的粘附及增殖情況。應(yīng)用Q-PCR技術(shù)測(cè)定MC3T3-E1與三種材料共培養(yǎng)后對(duì)Ⅰ型膠原、ALP、OC、Ki67、Interginβ1、TGF-β和Cbfα-1mRNA的表達(dá)情況，從分子水平探討多孔鉭鈮對(duì)成骨細(xì)胞功能相關(guān)基因的影響。
　　結(jié)果:材料浸提液細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示多孔鉭鈮浸提液對(duì)小鼠成骨細(xì)胞系

6、MC3T3-E1的毒性級(jí)別為0-Ⅰ級(jí)，屬于無(wú)毒范圍。多孔鉭鈮浸提液對(duì)MC3T3-E1的增殖無(wú)抑制作用，與陰性對(duì)照組比較無(wú)顯著性差異。多孔鉭鈮和多孔鉭對(duì)成骨細(xì)胞的粘附能力高于致密鉭鈮合金(P＜0.05)。MC3T3-E1細(xì)胞在多孔鉭鈮及多孔鉭表面的增殖情況同樣優(yōu)于致密鉭鈮合金，細(xì)胞計(jì)數(shù)結(jié)果顯示有顯著性差異(P＜0.05)。電鏡掃描可見(jiàn)MC3T3-E1在多孔鉭鈮合金及多孔鉭表面生長(zhǎng)良好，細(xì)胞數(shù)量隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加，并向孔隙內(nèi)部生長(zhǎng)。Inter

7、ginβ1、Cbfα1、TGF-βmRNA在多孔鉭鈮合金及多孔鉭表面細(xì)胞中表達(dá)強(qiáng)于致密鉭鈮合金，多孔鉭鈮合金表面細(xì)胞對(duì)ALPmRNA的表達(dá)強(qiáng)于另外兩組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
　　結(jié)論:多孔鉭鈮對(duì)小鼠成骨細(xì)胞MC3T3-E1無(wú)毒性，可以促進(jìn)MC3T3-E1的粘附、分化和增殖，生物相容性不亞于多孔鉭。多孔鉭鈮可上調(diào)Integrinβ1、Cbfα1、TGF-βmRNA的表達(dá)，程度與多孔鉭相近，而對(duì)ALPmRNA的上調(diào)水平甚至超過(guò)多孔鉭，

8、在分子水平提供了多孔鉭鈮對(duì)小鼠成骨細(xì)胞作用的依據(jù)。
　　4、多孔鉭鈮合金體內(nèi)組織相容性研究
　　目的:比較多孔鉭鈮合金、多孔鉭和致密鉭鈮合金的骨整合能力，探討其作為體內(nèi)植入物的可行性。
　　方法:將多孔鉭鈮合金、多孔鉭和致密鉭鈮合金棒植入新西蘭大白兔股骨遠(yuǎn)端，分別在2w、6w、12w行X線檢查，在6w及12w取材后進(jìn)行掃描電鏡和硬組織切片檢查，12w時(shí)間點(diǎn)取材行推出實(shí)驗(yàn)。
　　結(jié)果:三組材料周?chē)浗M織均未見(jiàn)明顯排

9、異及炎癥反應(yīng)，各時(shí)間點(diǎn)X線片均未見(jiàn)松動(dòng)、移位，其中多孔鉭鈮合金組及多孔鉭組6w及12w時(shí)在材料兩端均有成骨現(xiàn)象，而致密鉭鈮合金未見(jiàn)成骨。掃描電鏡觀察可見(jiàn)6w時(shí)多孔鉭鈮合金及多孔鉭表面有鈣磷沉積，材料-骨結(jié)合結(jié)合面無(wú)纖維膜間隔，結(jié)合較為緊密，材料孔隙內(nèi)部同樣有新生骨小梁形成;12w時(shí)兩種材料與骨質(zhì)結(jié)合更加緊密，表面孔隙內(nèi)為新生骨組織填充，金屬小梁與骨小梁之間形成緊密地嵌合;致密鉭鈮合金與骨組織之間可見(jiàn)纖維組織膜。50μm厚帶材料硬組織切片