磷酸钙与聚甲基丙烯酸甲酯制备复合型骨水泥的生物学研究

发布时间：2017-10-11 06:37

  本文关键词：磷酸钙与聚甲基丙烯酸甲酯制备复合型骨水泥的生物学研究

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【摘要】：研究背景21世纪进行组织修复的最佳方式是利用组织工程学材料短期内替代自身受损或缺损的组织,待机体自身组织细胞增殖或再生后重新获得修复。临床治疗过程中发现：创伤骨折、骨组织感染坏死、骨肿瘤、骨质疏松、椎体压缩性骨折等疾病术前或术后常常合并骨缺损,而临床的最终治疗目的是尽可能的恢复骨组织的结构、填补骨缺损从而保证机体的运动功能。以往的临床治疗经验表明：自体骨移植是治疗骨缺损的金标准,因为自体骨不仅具有骨传导性、还具有骨诱导性和成骨活性,但是对于长段骨缺损的患者来说,单纯依靠自身骨组织再生来获得长段骨缺损的修复是十分困难的,因为来源有限,即便是采取自体骨移植,也存在“拆东墙、补西墙”的问题,也容易造成患者机体的二次损伤和再发感染、血肿、神经损伤等并发症,给患者带来巨大的躯体和精神上的痛苦。当然,还有同种异体骨移植法,虽然异体骨来源较为广泛,但免疫原性和致病性等问题一直是医疗界公认的难题,故同种异体骨也不是骨组织缺损最理想的修复材料。近年来,生物医学工程所提出的骨生物材料得到飞快发展,其理念为：1.生物安全性良好,对人体无害无毒或低毒无损害；2.抗压强度较高,可起到一定的支撑作用；3.具有一定的微孔结构,有利于骨细胞的长入；4.具有可降解性,随着机体骨髓腔结构变化逐步降解被周围骨质所替代；5.具有一定的引导或诱导成骨活性,更利于骨缺损区域发挥促成骨作用,弥补骨质不良的缺陷；6.材料具有可塑性,可以根据自身需要满足不同的移植部位。随着近几年学者们对人工合成骨材料的广泛、深入的研究,金属、生物陶瓷、高分子聚合物、骨水泥等得到临床较为广泛的应用、效果颇为显著。为获得多种材料取长补短的最佳优势组合,以达到完美模拟自体骨在体内促进成骨的目的,许多学者将无机材料与有机材料进行结合,制造出各种复合型骨组织替代材料,最大程度的满足了机体骨骼修复的需求,当然这些复合型骨组织替代材料同样具备如下条件：1.生物安全性良好；2.材料本身具有一定的微孔结构或材料的颗粒之间具有一定的孔径距离,有利于骨细胞的长入；3.具有可降解性；4.具有一定的引导或诱导成骨活性；5.材料具有一定的可塑性,可以根据骨缺损部位的空间需要满足不同的移植需求；6.最大程度的满足骨材料移植部位的生物力学强度。因此,本课题研究是寻找一种适合于机体负重区域的骨材料移植,既具有即刻稳定性、又具有中长期稳定性,同时兼备：抗压能力强并具有一定可塑性、具有骨引导活性或骨诱导活性、生物相容性好的多重功能的骨组织生物材料,结合本课题选择的骨水泥材料磷酸钙(CPC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),我们非常希望看到的是CPC和PMMA它们各自的优点得到重新组合,获得新的复合型骨组织生物材料,复合后的新型生物材料仍然能够保持着自身的优势,即CPC：降解速度中等(一般为3-6个月)、降解产物与骨骼成份相似、与骨骼结合牢固、具有骨引导活性、可载入抗生素药物和相关活性因子成份或活性抑制因子成份。当然,目前临床上对硫酸钙(CaS)的应用也非常广泛,本课题之所以不选取CaS作为复合型骨水泥的复合成份之一,是因为与CPC相比,CaS骨水泥降解过快(一般为1-3个月)、机械抗压强度较弱(临床上多将CaS应用于肢体非负重区域的骨缺损移植),因此本组实验设计之初就选择了CPC作为该实验的复合成份,而PMMA在抗压强度、抗拉伸强度及抗折强度等生物力学方面却具有CPC和CaS都不具备的强大优势,但PMMA终生无法降解、不利于成骨或新生骨长入是其缺陷所在。不难看出,CPC、CaS和PMMA作为骨组织植入材料的独立个体,都与达到最理想状态的骨组织生物材料的标准具有一定的差距。我们设想：如果能够将CPC和PMMA复合成功,使复合型骨水泥(CPC/PMMA)兼顾CPC和PMMA的独立优势,甚至达到1+12的效果：中等速度降解,与原骨骼结合牢固、具有骨引导活性并允许新生骨组织的长入、可载入抗生素和相关活性因子或活性抑制因子成份进入骨缺损区域或骨组织坏死区域发挥作用,且随着CPC的缓慢降解同时获得PMMA强大抗压、抗拉伸及抗折的力学性能,满足机体负重区域或非负重区域均可植入该复合型骨水泥材料以达到最佳治疗模式的需求。目的1.探讨磷酸钙(CPC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)按不同比例混合而制备新型复合型骨水泥(CPC/PMMA)的方法及生物力学性能。2.探讨复合型骨水泥材料CPC/PMMA生物安全性、组织相容性。3.探索复合型骨水泥材料CPC/PMMA移植入SD大鼠胫骨临界性骨缺损处,观察测量其降解及骨缺损修复情况。4.筛选出CPC/PMMA最佳配比浓度,满足机体负重区域或非负重区域均可植入该复合型骨水泥材料以达到最佳治疗模式的需要。方法1.复合型骨水泥CPC/PMMA的制备与分组制备CPC(100%)组、PMMA (100%)组、CPC/PMMA (3/1,75%)组、CPC/PMMA (2/1,67%)组、CPC/PMMA (1/1,50%)组、CPC/PMMA (1/2,33%)组、CPC/PMMA (1/5,16.7%)组、CPC/PMMA (1/10,9.1%)组、CPC/PMMA (1/15,6.25%)组、CPC/PMMA (1/20,4.8%)组骨水泥试件。2.复合型骨水泥CPC/PMMA生物安全性检测2.1细胞毒性实验2.1.1各组骨水泥浸提液的制备将无菌条件下制成的CPC、PMMA、CPC+PMMA复合骨水泥各组：CPC/PMMA (75%)组、CPC/PMMA (67%)组、CPC/PMMA (50%)组、CPC/PMMA(33%)组、CPC/PMMA (16.7%)组、CPC/PMMA (9.1%)组、CPC/PMMA(6.25%)组、CPC/PMMA (4.8%)组材料试件分别置于培养基中,3 cm2/ml培养基37℃中120 h,制备CPC、PMMA、复合骨水泥(CPC+PMMA)各组浸提液。2.1.2成骨前体细胞(MC3T3-E1,小鼠来源)的体外培养遵照细胞体外培养技术与原则。2.2全身亚急性毒性实验本课题相关实验动物,我们都遵循实验动物保护原则。将雌雄各半的昆明小鼠随机分组,体重25g-30g、5只/组,并进行标记,利用电子天平测量各组小鼠的体重。各组小鼠按50ml/kg注射骨水泥浸提液(腹腔注射),Control组注射生理盐水。注射后24h、7d、14d观察各组小鼠的一般状态(皮肤、被毛、眼、粘膜变化)、存活情况(呼吸、循环、行为等),并测量体重及组织脏器变化情况。2.3热源实验无菌条件下制备CPC(100%)组、CPC/PMMA (75%)组、CPC/PMMA (67%)组、CPC/PMMA (50%)组、CPC/PMMA (33%)组、CPC/PMMA (16.7%)组、CPC/PMMA (9.1%)组、CPC/PMMA (6.25%)组、CPC/PMMA (4.8%)组、PMMA (100%)组浸提液。鼠尾静脉注射骨水泥浸提液、3m1浸提液/只(对照组注射生理盐水)。分别注射后1h、2h、3h、24h测定SD大鼠的肛温变化值。每只SD大鼠测3次取平均值。2.4致敏实验：于SD大鼠小腿内侧注入骨水泥浸提液、0.1ml/点(对照组注射生理盐水)。分别注射后15min、30min、1h、24h观察SD大鼠注射点的红斑、水肿、硬结及焦痂等形成情况。3.复合型骨水泥CPC/PMMA理化性能的检测3.1初级性能检测：3.1.1抗压强度、拉伸强度及三点弯实验：将CPC(100%)组、CPC/PMMA(75%)组、CPC/PMMA(67%)组、CPC/PMMA(50%)组、CPC/PMMA (33%)组、CPC/PMMA (16.7%)组、CPC/PMMA(9.1%)组、CPC/PMMA (6.25%)组、CPC/PMMA (4.8%)组、PMMA(100%)组骨水泥在常温下调和均匀后注入不锈钢模具中塑形,制成圆柱体(直径5mm,高度10mm-50mm不等),我们称之为“骨水泥试件”。将骨水泥试件分别放置于ELF3510-AT万能材料实验机(BOSES公司,美国)上,预先制作的夹具以精确测定加载的力学参数,进行三点弯实验；于Instron(英斯特朗)万能材料实验机(美国)上,进行抗压强度、拉伸强度的测试。3.1.2凝固温度检测3.2高级性能检测3.2.1固化时间检测3.2.2电镜扫描形态学观察3.2.3物相组成份析检测4.复合型骨水泥CPC/PMMA的组织相容性实验4.1细胞粘附实验：显微镜下观察12孔板中骨水泥试件周围的细胞生长形态与状态。4.2骨水泥试件植入临界性骨缺损、肌袋组织中的动物模型建立。4.3骨水泥试件植入术后动物模型的X线检查(术后4周、12周、15周)。4.4骨水泥试件失重率的测试。4.5 SD大鼠胫骨临界性骨缺损骨材料移植模型术后的组织形态学观察及新生骨测量。结果1.复合型骨水泥CPC/PMMA的制备将CPC和PMMA骨水泥的同相粉末按质量比3：1,2：1,1：1,1：2,1：5,1：10,1：15,1：20均匀混合得到不同比例的混合骨水泥固相系列：CPC/PMMA(75%)组、CPC/PMMA (67%)组、CPC/PMMA(50%)组、CPC/PMMA (33%)组、CPC/PMMA (16.7%)组、CPC/PMMA (9.1%)组、CPC/PMMA (6.25%)组、CPC/PMMA (4.8%)组,根据本课题实验的需要,分别制备出与检测要求相符合的骨水泥试件。2.1细胞毒性分级标准分为6个级别：0级为≥100%,1级为75%-99%,2级为50%-74%,3级为26%-49%,4级为1%-25%,5级为0。无毒性即为0级,高毒性为5级。与空白对照组比较,骨水泥浸提液CPC/PMMA (16.7%)组,CPC/PMMA (9.10%)组,CPC/PMMA (6.25%)组,CPC/PMMA (4.80%)组和PMMA组有细胞毒性。2.2全身亚急性毒性实验各组SD大鼠机体状态指标变化无显著性差异。2.3热源实验实验各组SD大鼠体温变化无显著性差异。2.4致敏实验结果显示：PMMA单体组的SD大鼠皮肤注射区域出现明显的点状红斑和水肿,而在其他各组没有此种现象出现。2.5溶血实验溶血率(%)=(实验组吸光度-阴性对照组吸光度)/(阳性对照组吸光度-阴性对照组吸光度)×100%。结果评价：如果溶血率小于5%,可判定合格,即所检测的材料不会引起溶血反应。2.6病理学检测血液常规检包括测定：红细胞数、白细胞数、血小板数、血红蛋白、红细胞压积和平均红细胞体积。血液生化检测包括测定：天门冬氨酸氨基转换酶、丙氨酸氨基转换酶、尿素氮、总蛋白、血糖、总胆固醇、肌酐、甘油三酯等指标。2.7病理组织学检测：进行小鼠尸检,检测肌袋、肝、脾、肾脏器的湿重,再进行甲醛固定后石蜡切片、HE染色镜下观察其组织形态学。3.1抗压强度、抗拉伸强度及三点弯实验的抗折强度结果显示：CPC(100%)组,CPC/PMMA (75%)组、CPC/PMMA (67%)组、CPC/PMMA (50%)组、CPC/PMMA (33%)组、CPC/PMMA (16.7%)组、CPC/PMMA (9.1%)组、CPC/PMMA (6.25%)组、CPC/PMMA (4.8%)组和PMMA (100%)组的抗压强度、抗拉伸强度及抗折强度均有显著性差异(P0.05)。3.2凝固温度CPC(100%)组为对照组,其凝固温度与室温接近约为27℃,CPC/PMMA(75%)组、CPC/PMMA (67%)组、CPC/PMMA (50%)组、CPC/PMMA (33%)组、CPC/PMMA (16.7%)组、CPC/PMMA (9.1%)组、CPC/PMMA (6.25%)组、CPC/PMMA(4.8%)组、PMMA (100%)组的凝固温度有显著性差异(P0.05),各组复合型骨水泥凝固温度介于40℃-80℃之间,而PMMA组凝固温度最高达78℃左右。3.3固化时间CPC(100%)组固化时间较长、约11min, PMMA (100%)组固化时间较短、约2min,复合型骨水泥组的固化时间介于2min-6min之间,以PMMA (100%)组为对照组,CPC/PMMA (75%)组、CPC/PMMA (67%)组、CPC/PMMA (50%)组、CPC/PMMA (33%)组、CPC/PMMA (16.7%)组、CPC/PMMA (9.1%)组、CPC/PMMA (6.25%)组、CPC/PMMA (4.8%)组和CPC(100%)组为试验组,各试验组的固化时间均有显著性差异(P0.05)。3.4电镜扫描形态学观察(×500倍)：各组骨水泥经过PMMA单体液调和后颗粒呈球状、部分参杂晶体颗粒,CPC(100%)组颗粒间的孔径分布松散、孔径距离在100μm-400μm之间,PMMA(100%)组和复合骨水泥CPC/PMMA (4.8%)组的球状颗粒排布紧密、颗粒间孔径距离在50 μm-100μm之间,CPC/PMMA (75%)组,CPC/PMMA (67%)组和CPC/PMMA (50%)组的孔径介于CPC(100%)组和PMMA (100%)组之间、约100 μm-200μm。3.5物相组成份析测试通过与国际衍射数据中心的粉末衍射标准卡对照显示,PMMA骨水泥为无结晶衍射峰出现的非晶态物质,仅有硫酸钡的结晶衍射峰呈现；而CPC则正常显示出以羟基磷灰石为主的结晶衍射峰,混合后的复合型骨水泥随着PMMA的不断增加,原来低结晶度的CPC的结晶性能略有降低,但CPC与PMMA的混合并未明显影响终产物羟基磷灰石的衍射峰,提示：无新的结晶相出现在反应物中,即PMMA并不参与CPC的固化反应。4.1细胞粘附实验显微镜下观察12孔板中骨水泥试件与成骨前体细胞(MC3T3-EI)共培养的细胞生长情况。4.2骨水泥试件植入SD大鼠胫骨临界性骨缺损动物模型建立。4.3.1骨水泥试件植入SD大鼠胫骨临界性骨缺损术后4周,动物模型的X线检查。影像学检查结果提示：骨水泥明显存在于各组胫骨临界性骨缺损填充处,术后4周各组尚未见到骨水泥有显著性降解。4.3.2骨水泥试件植入术后12周,动物模型的X线观察CPC组骨材料降解情况较术后4周骨降解略明显,尤其是胫骨骨缺损边缘处的骨水泥、与周围骨组织间出现模糊阴影；PMMA组术后12周依然没有明显降解,骨水泥边缘整齐、周围骨质残存透亮影。4.3.3骨水泥试件植入SD大鼠胫骨临界性骨缺损术后15周X线观察CPC组骨材料降解情况较术后12周骨降解明显,胫骨骨缺损处的骨水泥阴影模糊增强、与周围骨组织连接紧密；PMMA组术后15周没有明显降解,骨水泥边缘整齐、周围骨质的透亮影消失。4.4组织形态学检测1.空白对照组(无骨水泥填充),可见骨缺损处大量纤维结缔组织结构,新骨细胞生长连接后形成的骨皮质较薄弱、易断裂,不易修复骨缺损。2.CPC(100%)组：CPC大部分降解,可见在其周边大量新生骨长入并与周围骨组织结合紧密,髓腔呈现再通趋势。3. PMMA组：PMMA骨水泥无降解,可见在其周边有少量骨长入,纤维结缔组织较多,未见骨坏死等现象。CPC/PMMA复合骨水泥组(以75%组为代表)：复合骨水泥部分降解,可见在其周边大量新骨形成沿复合骨水泥表面生长并与周围骨组织连接形成“骨桥样结构”,形成的骨皮质连续且与原骨骼结合牢固,髓腔也呈现再通趋势。结论1.采用骨水泥CPC+PMMA为原料,物理条件下将两者按照不同质量比混合,以PMMA单体液调和,制备了新型复合型骨水泥CPC/PMMA,制备过程简便可靠,PMMA的介入并不影响CPC的特性,复合骨水泥材料随着PMMA含量的逐渐增高,其机械性抗压强度、抗拉伸强度和抗折强度也随之增高,而体内降解速度逐渐减慢,PMMA含量超过50%几乎无法降解。2.复合型骨水泥CPC/PMMA (75%、67%、50%)属于无细胞毒性的生物材料,具有良好的细胞相容性。3.复合型骨水泥CPC/PMMA无血液毒性,不引发迟发型超敏反应,不具有全身亚急性毒性,无溶血性,具有良好的生物安全性,复合型骨水泥CPC/PMMA (75%、67%、50%)组符合骨组织替代材料的基本条件。4.复合型骨水泥CPC/PMMA修复SD大鼠胫骨临界性骨缺损的效果较理想,可以认为75%-50%浓度范围的复合型骨水泥CPC/PMMA是一种具有骨引导活性、适用于负重或非负重区域骨移植的良好的生物性骨组织替代材料。
【关键词】：磷酸钙 聚甲基丙烯酸甲酯 骨水泥 生物学
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08;R687
【目录】：

• 摘要3-12
• ABSTRACT12-27
• 前言27-35
• 参考文献31-35
• 第一部分 复合型骨水泥CPC/PMMA的制备与材料性能检测35-60
• 1 材料与方法35-42
• 1.1 实验材料35-36
• 1.2 CPC与PMMA复合型骨水泥的制备36-38
• 1.3 CPC与PMMA复合型骨水泥理化性能检测38-41
• 1.4 统计学方法41-42
• 2 结果42-52
• 2.1 抗压实验42-43
• 2.2 拉伸实验43-45
• 2.3 三点弯实验45-46
• 2.4 凝固温度46-48
• 2.5 固化时间48-49
• 2.6 微孔孔径结构观察与测量49-50
• 2.7 X射线衍射分析50-51
• 2.8 失重率测试51-52
• 3 讨论52-56
• 参考文献56-60
• 第二部分 复合型骨水泥CPC/PMMA生物安全性检测60-83
• 1 材料与方法61-69
• 1.1 实验材料61-62
• 1.2 实验方法和步骤62-69
• 1.2.1 细胞毒性实验62-64
• 1.2.2 全身亚急性毒性实验64-65
• 1.2.3 热源实验65-66
• 1.2.4 致敏实验66-67
• 1.2.5 溶血实验67-68
• 1.2.6 病理学检测68
• 1.2.7 统计学处理68-69
• 2 结果69-78
• 2.1 细胞毒性实验(MTT实验)69-71
• 2.2 全身亚急性毒性实验71-76
• 2.3 热源实验76-77
• 2.4 致敏实验77
• 2.5 溶血实验77-78
• 3 讨论78-81
• 3.1 细胞毒性实验79-80
• 3.2 全身亚急性毒性实验80
• 3.3 热源实验与致敏实验80-81
• 3.4 溶血实验81
• 参考文献81-83
• 第三部分 CPC/PMMA复合型骨水泥修复SD大鼠胫骨临界性骨缺损的实验研究83-109
• 1 材料与方法85-89
• 1.1 主要仪器和实验材料85-86
• 1.2 实验材料和动物86
• 1.3 试剂的配制86
• 1.4 实验分组86
• 1.5 建立骨水泥试件植入SD大鼠胫骨临界性骨缺损动物模型及手术方法86-88
• 1.6 标本采集与处理88-89
• 1.7 数据处理89
• 2 结果89-95
• 2.1 动物一般情况89
• 2.2 骨水泥试件植入术后动物模型的X线检查(术后4周,术后15周)89-95
• 3 讨论95-104
• 3.1 新型骨材料在骨缺损修复中的研究现状95-97
• 3.2 临界性骨缺损动物模型建立的可行性97-98
• 3.3 CPC和PMMA体内对骨骼的影响98-99
• 3.4 CPC/PMMA复合型骨水泥在临界性骨缺损动物模型中的促成骨能力99-100
• 3.5 结论100-104
• 参考文献104-109
• 全文总结109-110
• 综述110-122
• 参考文献117-122
• 中英文对照缩略词表122-124
• 攻读学位期间成果124-126
• 致谢126-128
• 研究生毕业论文统计学审稿证明128

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本文编号：1011028