新型多孔生物活性椎体成型材料的实验研究

发布时间：2018-03-24 14:05

本文选题：椎体成型术　切入点：骨水泥　出处：《第四军医大学》2012年博士论文

【摘要】：研究背景：我国每年新发骨质疏松性脊柱骨折约181万例。临床治疗最常用的方法是椎体成型术，即将聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥填充椎体，强化椎体的力学性能。但该材料存在明显缺陷：不可吸收，，无成骨活性，弹性模量过高。寻找一种体内可吸收、具有成骨活性、较低弹性模量的椎体成型材料非常重要。生物玻璃是近年才出现的一类性能优良的生物材料，具有良好的生物活性和生物相容性。壳聚糖为一种天然高分子材料，具有良好的生物相容性和体内可降解特性。将生物玻璃颗粒和壳聚糖颗粒与聚甲基丙烯酸甲酯复合，可使骨水泥具有生物活性和体内可吸收特性，有望制成一种符合以上要求的新型椎体成型材料。研究目的：研发出一种适用于经皮椎体成型术的体内可吸收、具有成骨活性、较低弹性模量的新型可注射型椎体成型材料。材料方法： 1.新型椎体成型材料的固相由生物玻璃颗粒、壳聚糖颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯粉末组成。将45S5生物玻璃采用球磨装置研磨成粒径约为10μm的颗粒，选用平均分子量为300KD、乙酰化度大于90%的低分子量的壳聚糖，聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥选用美国史赛克公司的Simplex P骨水泥。按照椎体成型材料的固相成份，分为三个组：BC40组由40wt%的生物玻璃颗粒、50wt%的聚甲基丙烯酸甲酯粉末和10wt%壳聚糖颗粒组成；BC50组由50wt%的生物玻璃颗粒、40wt%的聚甲基丙烯酸甲酯粉末和10wt%壳聚糖颗粒组成；PMMA组作为对照，由100wt%的聚甲基丙烯酸甲酯粉末组成。固化液购自美国史赛克公司，成份为97.5wt%甲基丙烯酸甲酯、2.5wt%二甲基对甲苯胺和7.5mg/mL的对苯二酚。骨水泥固相/液相比例为1.5:1。各组骨水泥固化后，在扫描电子显微镜上观察材料的表面形态，确定材料各组份的分布情况。 2.将骨水泥样本浸泡于PBS磷酸缓冲溶液中降解4周，检测各组骨水泥降解前与降解后1周、2周和4周的压缩强度和弹性模量。模拟体液中浸泡BC40组骨水泥样本21天后，进行扫描电镜、能谱分析和X射线衍分析，评价材料的体外生物活性。 3.以PMMA组为对照，采用MC3T3-E1小鼠成骨细胞评价新型椎体成型材料的细胞毒性，分析材料对成骨细胞的贴附、增殖和分化的影响。 4.将骨水泥材料植入兔股骨髁部骨缺损模型中12周，采用显微CT和组织学的方法，分析新型椎体成型材料的体内成骨和降解情况。结果： 1.骨水泥材料固化后的扫描电镜结果提示：BC40和BC50组中壳聚糖颗粒和生物玻璃颗粒均匀的分布于PMMA基质当中，而PMMA组呈现光滑的表面结构。 2. BC40组、BC50组和PMMA组的固化时间分别为12.7±0.3min、14.2±0.3min和8.6±0.3min，BC40组和BC50组的固化时间长于PMMA组。BC40组和BC50组的压缩强度经过4周的降解分别降低到72.71±3.53Mpa和63.60±4.92Mpa，而PMMA组的压缩强度没有出现明显下降；BC40组和BC50组的弹性模量降低到1.54±0.04Gpa和1.49±0.05Gpa，低于PMMA组的弹性模量。经过PBS中4周的降解，BC40表面形成直径约100μm的不规则大孔。扫描电镜结果示BC40在模拟体液浸泡7天后表面发生了明显的变化，表面有磷灰石结晶形成。能谱分析结果示浸泡7天后材料表面硅元素基本消失，钙元素和磷元素的含量明显增加。浸泡21天后X线衍射分析结果发现衍射角32°位置有高峰形成。 3. PMMA组与BC40组细胞毒性没有明显差异。成骨细胞贴附3小时后，PMMA组细胞贴附数量较少，且细胞没有完全伸展开，而BC40组细胞贴附数量较多，展开的细胞骨架清晰可见，且BC40组的细胞贴附率高于PMMA组。细胞增殖4天后BC40组细胞数量高于PMMA组。成骨细胞分化7天和14天后BC40组的碱性磷酸酶活性高于PMMA组。 4、显微CT结果示，BC40样本周围有明显的新骨长入，PMMA样本周围无明显的变化，BC40的新生骨体积高于PMMA。BC40样本在边缘有部分的材料降解，并形成表面多孔结构，而PMMA没有明显的降解，BC40的剩余材料体积比小于PMMA。组织学结果示，BC40植入体内与骨组织之间形成化学键合并且有新生骨组织长入材料，而PMMA和骨组织之间形成一层纤维组织。结论：新型多孔生物活性椎体成型材料BC40在体内部分吸收，具有良好的成骨活性、足够的力学强度和较低的弹性模量，有望在未来成为新型的椎体成型材料。
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【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R687.3;R318.08

【共引文献】