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新型可降解生物活性复合材料聚氨基酸/硫酸钙修复骨缺损的实验研究

赵增辉  
【摘要】:目的 探讨自行开发的聚氨基酸/硫酸钙复合材料的灭菌方式、细胞毒性、生物相容性、生物活性、骨传导性能及体内降解性能,以期开发出一种具有良好的生物相容性、骨传导性能及体内降解性能的人工骨修复材料,并为其最终临床应用提供实验依据。 方法 1、将六种原料氨基酸,即6-氨基己酸、L-甘氨酸、L-脯氨酸、L-丙氨酸、L-苯丙氨酸和L-赖氨酸与硫酸钙按一定比例复合,采用熔融缩聚法合成得到PAA/CS复合材料。分别采用γ-射线、高压蒸汽、低温等离子、环氧乙烷和紫外线等方法对PAA/CS复合材料进行灭菌,通过X线衍射分析材料结晶结构变化,力学测试材料抗压强度变化,L929细胞培养试验判断材料浸提液毒性变化。 2、分别采用体外MG63细胞黏附试验及动物体内骨植入实验对PAA/CS复合材料的生物活性进行初步评价。将人成骨样细胞系MG63细胞种植于圆片状PAA/CS、PAA、CS材料(直径10mm,厚2mm)表面,并设立空白对照,每组6个复孔。采用SEM观察细胞在材料表面黏附及生长情况,通过检测碱性磷酸酶及骨钙素表达判断细胞成骨分化情况。将圆棒状PAA/CS材料(直径2mm,长6mm)植入兔一侧胫骨,对侧植入相同大小聚乙烯作为对照。分别在术后2、8、16W取材进行大体观察、脱钙骨组织切片HE染色观察材料与机体的生物学反应。 3、在兔的双侧股骨髁松质骨区制造直径6.5mm,深6mm的骨缺损,36只兔共制造72个股骨髁骨缺损,分为3组,其中一侧植入颗粒状PAA/CS复合材料(5-10目),另一侧植入颗粒状CS材料(5-10目)或不植入任何材料作为对照。分别在术后2、4、12W取材进行大体观察、微型CT扫描、脱钙骨组织切片Masson三色及甲苯胺蓝染色,观察材料在动物体内的反应、骨缺损修复及材料降解情况。 结果 1、PAA/CS材料经各种方法灭菌后没有新的结晶峰出现,各结晶峰形态及位置无明显变化,表明此五种灭菌方法对其结晶结构没有明显影响。经高压蒸汽和低温等离子灭菌后,其抗压强度明显下降;其余灭菌方法对其压缩强度无明显影响。经γ-射线辐照、高压蒸汽、低温等离子灭菌后,其浸提液显著影响L929细胞生长,细胞毒性为3~4级;而经环氧乙烷及紫外线灭菌后,其浸提液对L929细胞生长及增值无明显影响,细胞毒性为0~1级。 2、PAA/CS及PAA周缘MG63细胞生长良好,而且随培养时间延长细胞数目增多,说明此两种材料均具有良好的细胞相容性。MG63细胞在PAA及PAA/CS表面良好黏附、生长,而CS表面未见细胞黏附。14d时,PAA/CS与PAA组ALP活性明显高于其它组,而两者间无明显统计学差异;PAA/CS组骨钙素含量明显高于PAA组及其它各组。PAA/CS植入骨内后,2W时材料与宿主骨结合紧密,未见炎性反应;8W时材料表面形成新生骨组织,16W时可见新生骨分化成熟并长入材料内部;整个观察期未见材料周围肌肉或骨组织发生异常病理变化或免疫排斥反应。 3、观察期间,所有动物未见伤口感染、血肿及溃烂,伤口均在术后3天左右愈合。大体观察显示CS在术后2W已大部分发生降解,缺损表面有少量粘液形成,在4W时已完全降解;而PAA/CS在植入后4W才有明显降解,12W时基本完全降解,仅有少量残留,未见异常组织反应。脱钙骨切片显示PAA/CS材料表面早期即有成骨细胞聚集,并有少量新生骨形成。随着材料的降解,新生骨组织长入PAA/CS材料内部并逐渐分化成熟。12W时各组骨缺损均得到修复,但微型CT显示空白组仅有皮质骨缺损得到修复,缺损内部骨小梁较少,骨密度明显低于PAA/CS组及CS组。 结论 1、环氧乙烷及紫外线灭菌对PAA/CS材料结晶结构、抗压强度、细胞毒性无明显影响,可作为其灭菌选择。γ-射线辐照、高压蒸汽、低温等离子灭菌对其抗压强度或细胞毒性产生一定影响,不适于对其灭菌。 2、MG63细胞在PAA/CS表面能够良好地黏附、生长及成骨分化;PAA/CS不引发机体异常反应,并能与骨组织发生骨性键合。可见PAA/CS材料具有良好的细胞相容性、组织相容性及生物活性。 3、加入PAA可以降低CS的降解速率,使之与新骨形成速率更相匹配。PAA/CS复合材料显示出与CS相当的修复骨缺损的能力,有望成为一种优良的骨修复材料。


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