颗粒诱导人工关节无菌性松动机理的研究、药物复合涂层假体的制备及其对假体松动的预防作用

发布时间：2018-10-20 17:36

【摘要】：人工关节置换术作为治疗严重关节炎的有效外科手术，已经越来越普及。随着人群的老龄化，关节置换手术大约以每年5%的速度逐渐的增加。而且随着人群期望寿命的增加，非骨水泥假体越来越多的被应用于这些患者。随之而来就出现了一个大问题，即越来越多的患者需要进行至少一次的翻修手术。假体无菌性松动大约占翻修病例的75%。为了进一步研究假体无菌性松动的机制，并试图寻找相关预防和治疗措施，一个能够紧密模拟临床假体周围病理生理环境的动物模型至关重要。目前报道的假体无菌性松动动物模型有air pouch模型和颅骨骨溶解模型，这两种模型的优点是造模简单，周期短，实验结果较为稳定，实验成本低；骨收集室(bone harvestchamber，BHC)模型，优点是造模简单，可反复取材；以及关节置换模型等。然而，前三种模型都与临床上真正的假体无菌性松动环境和作用机理相差甚远，因为缺少了机械负荷和关节内压力的刺激。而向假体周围或关节腔注射颗粒可以最大限度的模拟临床上假体周围的环境。因此，本实验试图通过建立一种更为有效、更接近临床松动假体周围环境的动物模型来模拟假体无菌性松动的生理病理过程，并与其他造模方法作比较，从而进一步探讨无菌性松动的机理。在成功建立动物模型之后，我们制备了一种阿仑膦酸钠-羟基磷灰石(alendronate-hydroxyapatite，ALN-HA)复合涂层，试图通过此药物复合涂层来提高假体的初始稳定性，并抑制假体周围的高骨更新率，同时对其效能进行广泛评估。进一步，我们制备了两种类型的二膦酸盐(bisphosphonates，BP)-HA复合涂层，分别使用的是高骨矿亲和性(mineral-binding affinity)的ALN和低骨矿亲和性的利塞膦酸钠(risedronate，RIS)，并研究这两种类型的复合涂层对于假体周围骨质和全身其他部位骨质的影响。进一步探讨BP-HA复合涂层抑制高骨更新率的机制和适用范围，以便今后为不同骨更新率状况的患者进行个体化假体表面涂层处理。目前需要研究和解决的问题是： 1.缺少一种更为有效的、更加接近临床松动假体周围环境的动物模型。 2.能否使用更少数量的颗粒来成功诱导假体无菌性松动。 3.多因素相互协同作用在颗粒诱导假体无菌性松动过程中的重要作用没有得到实验的充分论证。 4.不同造模方法是否具有效果差异，是否是通过同样的机制诱导假体无菌性松动。 5.颗粒刺激对于骨合成代谢的影响。 6. BP-HA复合涂层是否能够有效抑制假体周围高骨更新率。 7. BPs抑制颗粒诱导假体无菌性松动的机制。 8.低剂量BPs对于假体周围骨生成是否具有抑制作用。 9. ALN-HA复合涂层的药物释放特性是否能满足临床要求。 10.不同骨矿亲和性的BPs复合HA涂层对于假体周围局部和全身其他部位骨质骨更新的影响是否相同。因此，本实验首先通过同时向假体周围和膝关节腔单次注射UHMWPE颗粒诱导假体周围高骨更新率，进而模拟临床假体无菌性松动的局部病理环境，建立颗粒诱导的假体无菌性松动动物模型。进而在此模型基础上，进一步研究BPs复合HA涂层假体对于假体松动的抑制作用和相关机制。运用的检测内容如下： 1．X线测量动物处死后即刻拍摄胫骨正侧位X线，以确定假体安放于正确位置。 2．关节内压力(intra-articular pressure，IAP)测量通过在不同时间点测量术侧膝关节内压力，绘制压力-时间曲线，通过关节内压力的变化评估慢性炎症反应和骨-假体界面整合的程度。 3．组织学测量滑膜：膝关节滑膜组织HE染色，分别用普通光镜和偏振光镜观察，评估慢性炎症反应和颗粒浸润程度。骨-假体界面：通过计算骨-假体接触率和界面的改良丽春红三色染色切片，评估骨-假体界面的整合程度以及颗粒的位置。 4．骨组织形态学测量动态骨组织形态学：进行四环素荧光双标记，分别通过荧光切片和甲苯胺蓝染色切片来计算以下动态骨组织形态学参数：类骨质表面(osteoidsurface，OS/BS)、骨形成速率(bone formation rate，BFR/BV)和骨矿沉积率(mineral apposition rate，MAR)。静态骨组织形态学：通过micro-CT测量以下静态骨组织形态学参数：骨体积分数(bone volume fraction，BV/TV)、骨小梁厚度(trabecular thickness，Tb.Th)、骨小梁数量(trabecular number，Tb.N)、骨小梁分离度(trabecularsepration，Tb.Sp)和结构模型指数(structure model index，SMI)。 5．骨矿化通过Von Kossa染色切片来计算骨皮质处的钙盐沉积岛平均面积和钙盐沉积岛面积分数。通过micro-CT测量松质骨的骨密度(bone mineraldensity，BMD)。 6．生物力学测量通过假体顶出实验描绘负荷-位移曲线，并根据曲线计算最大顶出力(maximum force，MF)、表观抗剪强度(apparent shear stiffness，ASS)和总能量吸收值(total energy absorption，TEA)。 7．扫描电镜分别在普通模式和背散射模式下观测。在普通模式下观察骨-假体界面的整合，在背散射模式下测量距离假体表面0-100μm，100-200μm，200-500μm和500-800μm处的矿化骨体积分数(mineralized bone area fraction，M.BAF)，辅助评估骨矿化能力。 8．细胞因子测定促炎细胞因子：测量血清或关节液中的肿瘤坏死因子α (tumor necrosisfactor-α，TNF-α)、白细胞介素1β (interleukin-1β，IL-1β)、IL-6和基质金属蛋白酶1(matrix metalloproteinases-1，MMP-1)，，评估慢性炎症反应程度。骨更新标志因子：测量血清或关节液中的骨保护素(osteoprotegerin，OPG)、核因子受体激活剂配体(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)、骨特异性碱性磷酸酶(bone-specific alkphase，B-ALP)和抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRACP-5b)，评估骨更新水平。 9．阿仑膦酸钠体外释放周期通过绘制ALN体外释放曲线，评估此复合涂层假体的药物缓释能力。我们得出了以下结论： 1.颗粒刺激对于假体稳定性的影响包括颗粒在骨-假体界面的浸润、促炎细胞因子的释放、关节内压力升高、炎性界膜形成、慢性炎症反应、骨显微结构的破坏、骨更新率升高、骨矿化受到抑制和胶原代谢异常等病理过程。 2.假体周围和关节内同时注射颗粒可以在早期促进骨溶解相关因子之间的相互作用，使得仅用107颗粒就能成功诱导假体周围高骨更新率，进而模拟临床假体无菌性松动的局部病理环境。 3.证实了颗粒刺激、关节内压力升高、机械负荷和促炎细胞因子之间的相互作用在假体无菌性松动过程中起到重要作用。 4.颗粒能够自由的迁移是维持假体周围的慢性炎症反应和高骨更新率的关键。 5.假体无菌性松动不单单是一个破骨性骨吸收过程，同时也是骨生成和骨吸收平衡的破坏。 6.局部释放的BPs通过抑制假体周围过高的骨更新率而改善假体周围的骨质和骨量，促进骨-假体界面的整合封闭，阻止颗粒的迁移，抑制假体周围的慢性炎症反应。 7. HA涂层复合低剂量BPs在抑制假体周围骨吸收的同时，对于假体周围骨生成没有抑制作用。 8. ALN从ALN-HA复合涂层上释放是一个前期快速大量释放、后期缓慢少量持续释放的双相过程，此释放特性有利于骨-假体界面的早期整合以及假体周围持续低剂量药物浓度的维持。 9. ALN-HA复合涂层在体外可维持至少12周假体周围药物浓度在0.6μM以上。理论上此类复合涂层具有自我调节功能，可满足长期体内缓释的需求。 10.不同骨矿亲和性的BPs具有不同的扩散能力，这也是高骨矿亲和性的BPs能够在假体周围维持稳定的药物浓度，进而对于改善假体周围骨质更为明显，而低骨矿亲和性的BPs易于扩散至全身，进而对于改善全身其他部位骨质更为明显的原因。 11.对于将来临床相关药物复合涂层假体的设计和选择很有指导意义，可以根据患者局部和全身的骨更新率状况来选择性的将不同骨矿亲和性的BPs单独或同时复合到HA涂层上，进行个体化假体表面涂层处理。
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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】：R318.17

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