新型表面修饰化聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）人工韧带的研制

发布时间：2019-09-19 17:25

【摘要】：前言：前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)损伤是最常见的运动损伤之一,有三种移植物可供ACL重建选择,分别自体肌腱、异体肌腱以及人工韧带。由于自体肌腱会有移植物供区缺损、术后疼痛等并发症,异体肌腱会有疾病传播,免疫排斥风险和不同国家法律对移植物使用的限制等,而人工韧带没有这些缺点,因此有一部分患者选择人工韧带。目前在国际及国内比较流行的人工韧带是法国的LARS人工韧带(Ligament Advanced Reinforcement System; Surgical Implants and Devices, Arc-sur-Tille, France)。2010年,我科报道LARS人工韧带植入术后3～5年的一个多中心研究,结果显示93%以上的患者得到了满意的效果,功能恢复,另外仍有7%的失败率,包括挤压螺钉松动、移植物骨愈合不佳、韧带断裂和滑膜炎等。本课题首先对人工韧带植入术后5～7年的部分病例进行随访,调查并分析存在的问题,然后针对目前人工韧带移植物骨愈合不佳以及韧带化差等问题,进行韧带表面修饰,以增强移植物的骨愈合和生物相容性。同时,对韧带进行外观及形态设计,旨在设计研发一种新型的有自主产权的人工韧带,克服目前LARS人工韧带的不足和缺点,以满足其实用性、较好生物相容性以及较强骨连接性的特点,为进一步临床应用奠定实验基础。第一部分：临床随访LARS人工韧带重建前交叉韧带术后5-7年随访目的：该研究旨在了解LARS人工韧带重建前交叉韧带术后5-7年的膝关节功能与韧带愈合情况。方法：本研究对21例5-7年前在本科行LARS人工韧带重建ACL的患者,进行临床检查以及MRI检查,包括主观功能检查(IKDC评分,Lysholm评分)和体格检查(前抽屉试验和Lachman测试)。MRI图像用于分析韧带移植物形态及韧带化。结果：17例患者获得了良好的功能稳定性,IKDC或Lyshom评分均为满意,MRI显示韧带有一定扭曲,表明移植物有一定程度松弛。另外4例患者效果不佳,一例发生滑膜炎,一例患者韧带完全断裂,一例部分断裂,一例影像学韧带愈合较差。结论：LARS韧带重建术后5~7年,大部分患者取得了满意效果,另有4例患者出现并发症,可能与人工韧带移植物生物学愈合不良和韧带化较差有关。第二部分：促进移植物骨道内愈合的研究 (一)羟基磷灰石涂层PET人工韧带促进移植物骨道愈合的研究目的：探讨羟基磷灰石(HAp)涂层是否能加强PET人工韧带移植物骨道愈合。方法：本研究采用24只新西兰大白兔,采用关节外腱骨愈合模型将人工韧带植入胫骨近端。一侧肢体是植入HAp涂层韧带为实验组,对侧肢体植入非HAp涂层韧带为空白组。兔子在4周及8周处死动物做生物力学,组织学和real time-PCR测试。结果：实验组移植物的最大拉力在8周时均显著高于对照组(p=0.0057)。组织学上,与对照组相比,HAp涂层应用在8周时能诱导移植物骨界面上新骨形成。Real time-PCR检查发现实验组的骨桥蛋白(osteopontin)和Ⅰ型胶原(collagen-I)的表达水平较高,从4周时均高于对照组(p0.05)。结论：研究表明,人工韧带表面HAp涂层能够有效地促进人工韧带骨隧道内移植物骨愈合。 (二)58S生物玻璃修饰PET人工韧带促进移植物骨愈合的研究目的：研究生物活性玻璃(BG)涂层对PET人工韧带移植物骨愈合的作用。方法：采用30新西兰白兔,将人工韧带移植物植入近端胫骨隧道。一侧肢体植入BG涂层韧带为实验组,对侧肢体植入非涂层韧带作对照。分别于术后3周、6周、及12周处死,进行生物力学测试和组织学检测。结果：实验结果显示,12周时实验组的最大拉力显著高于对照组(p0.05)。组织学上,12周时,BG涂层移植物能极大地诱发新骨形成,移植物骨界面平均宽度显著低于对照组。此外,BG韧带移植物表面也刺激了骨形态蛋白和血管内皮生长因子在局部界面的高度表达(p0.05)。结论：本研究显示BG涂层人工韧带能够有效地加强人工韧带在骨隧道内的愈合。 (三)生物玻璃和羟基磷灰石复合涂层人工韧带促进移植物骨愈合的作用目的：本研究的目的是研究羟基磷灰石(HAp)和生物玻璃(BG)复合涂层(HB)促进人工韧带移植骨隧道愈合的作用。方法：实验分为4组,HAp涂层组,BG涂层组,HB(HAp-BG)复合涂层组,以及空白对照组。包括体内/体外两部分实验。体外研究采用MC3T3-El体外鼠人成骨细胞,测试涂层的生物相容性。体内实验,建立兔子关节腱骨愈合模型,检测表面涂层修饰的人工韧带在体内的愈合效果,包括生物力学及组织学检查。结果：体外培养人成骨细胞MC3T3-E1鼠支持HB复合涂层能促进细胞的相容性,促进成骨细胞增殖。体内动物实验结果证明,该HB复合物涂层可明显促进界面上新骨形成,与对照组比较,术后4周实验组有最高的生物力学性能(P0.05)。结论：本研究显示HB复合涂层能有效地诱导在早期加强人工韧带骨隧道愈合。 (四)壳聚糖和透明质酸层层自组装修饰PET人工韧带促进移植物骨愈合研究目的：探讨壳聚糖和透明质酸(CS-HA)层层自组装是否加强PET人工韧带移植物骨愈合。方法：对PET人工韧带表面进行自组装CS-HA涂层,采用电镜及红外图谱进行表征分析。体外实验使用MC3T3-E1鼠,人成骨细胞体外研究材料的生物相容性。兔子关节腱骨愈合模型被用来评价表面涂层修饰的人工韧带在体内的效果,检测包括生物力学及组织学检查。结果：体外培养人成骨细胞MC3T3-E1鼠标支持壳聚糖和透明质酸涂层能促进细胞的相容性,促进成骨细胞增殖。体内动物实验结果证明,该CS-HA有机化合物涂层可明显促进界面上新骨形成,与对照组比较,在8周时实验组有较高的生物力学性能表现(P0.05)。结论：本研究显示,CS-HA涂层能有效地加强人工韧带骨髓道愈合。第三部分：促进移植物关节内韧带化的研究 (一)使用透明质酸壳聚糖层层自组装涂层人工韧带加强移植物韧带化：兔子内侧副韧带重建模型目的：探讨透明质酸壳聚糖HA-CS涂层是否能提高PET人工韧带的生物相容性,促进成纤维细胞的粘附、增殖和胶原蛋白再生,加强移植物韧带化进程。方法：本研究对PET人工韧带进行表面改性,逐层自组装透明质酸(HA)及壳聚糖(CS)。对韧带的表面特性的研究应用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)。体外培养,采用人类表皮成纤维细胞(HDFCs)测试细胞增殖和黏附情况。采用兔子内侧副韧带重建模型,评估HA-CS涂层韧带在体内韧带化情况。结果：体外培养结果证明,HA-CS涂层能够加强移植物生物相容性,促进细胞增值。体内实验证明,HA-CS涂层表面处理可明显促进在体细胞粘附和提高胶原纤维再生。结论：这种CS-HA涂层可提高PET移植物在体外和体内的生物相容性。 (二)PET人工韧带逐层自组装透明质酸和阳离子明胶提高人工韧带的生物相容性：兔前交叉韧带重建模型目的：研究自组装透明质酸和阳离子明胶是否能提高PET人工韧带移植物的生物相容性,促进细胞粘附、增殖和胶原蛋白的合成。方法：本研究对PET人工韧带移植物进行表面改性,逐层(LBL)自组装透明质酸(HA)和阳离子明胶(CG)。材料表征分析采用电镜,接触角,Fourier红外光谱分析技术和扫描电子显微镜(SEM)。体外测试采用人表皮成纤维细胞。体内研究,采用兔子和猪前交叉韧带(ACL)重建模型方法,评价经过表面修饰的人工韧带在体内的韧带化情况。结果：体外实验结果显示,CG-HA显著地提高细胞粘附和细胞增殖,CG-HA涂层组的Ⅰ型胶原表达远远高于对照组。体内实验结果证明,该涂层可明显促进纤维细胞黏附,提高胶原纤维再生,促进移植物韧带化。结论：CG-HA涂层能增强人工韧带在体内的生物相容性,促进移植物韧带化。第四部分：新型人工韧带的外形设计与改良新型连接纽扣钢板的人工韧带设计为了克服现有的LARS韧带所存在的设计缺陷,摒弃通过挤压螺钉在骨道内挤压移植物达到固定目的设计缺陷。我们对人工韧带的固定方式进行了改进,采用悬吊固定,以保证人工韧带多孔结构在骨道内不受挤压螺钉挤压,更好地利用人工韧带表面处理后的亲骨特性,增加韧带表面在骨道内的接触面积,诱导并增强韧带与骨道的牢固愈合。该人工韧带的新外形设计不仅能连接带环袢钮扣钢板,增加与国际大公司现有悬吊产品的适配,同时也保证了固定强度,为运动医学韧带手术提供一种新型人工韧带。该研究已获专利。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.17

【参考文献】