纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料人工肱骨头的实验初步研究

【摘要】： 全髋关节置换术是常见的髋关节重建手术。尽管手术成功率非常 高，但在临床上仍然有许多手术并发症。这些与假体相关的并发症主 要有假体磨损、假体柄断裂、假体松动等。随着现代材料学发展及假 体改良设计使假体柄的断裂明显减少，同时假体的耐磨性也大大提 高。目前，金属假体的松动和骨溶解已成为人工关节置换术后最严重 的远期并发症，是人工关节翻修术最常见的病因。 原来认为假体松动和骨溶解是由骨水泥造成的，故称之为“骨水 泥病”。于是人们开始寻找另外的假体固定方式——生物学固定，希 望骨组织能长入假体而达到关节假体长期的稳定。目前有几种生物学 固定方式在临床广泛使用，如多孔表面金属、HA 表面喷涂金属假体。 但它们仍然存在一些问题：如应力遮挡导致的骨吸收，表面的磨损颗 粒，局部的应力不均匀，金属腐蚀而产生的金属离子毒性。尤其是由 于金属为惰性材料，要达到良好的骨长入较为困难。因此，为获得更 多的骨组织生长，人们尝试选择生物活性材料来制造人工关节。 羟基磷灰石是一种生物相容性好和具有骨传导作用的生物活性 材料，虽然它能促进骨组织生长，但其机械性能差、材料脆性大，并 且成骨能力有限。近来为了提高羟基磷灰石的力学性能，加快新骨形 成速度，人们通过纳米技术使普通羟基磷灰石纳米化，或加入有机物 制成羟基磷灰石复合物以改善其理化、力学性能并且促进早期新骨形 成。纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料（nHA/ PA）是一种纳米羟基磷 2 WP=7 重庆医科大学博士学位论文 灰石均匀分布在 PA66 中的新型骨关节的修复材料。其中纳米羟基磷 灰石的形态、大小、结晶度和晶体与人骨磷灰石相似，高分子聚合物 PA66 已作为外科缝线长期应用于临床，它们通过化学键合形成具有 良好生物活性和力学性能的仿生骨关节材料。本研究将对 nHA/ PA 复合材料的生物活性及生物相容性进行初步的研究。 本实验主要由以下三部分组成： 1. nHA/ PA 复合材料的人工肱骨头生物活性研究。 2. nHA/ PA 复合材料的人工肱骨头生物相容性研究。 3. nHA/ PA 复合材料的人工肱骨头体内成骨的 BMP-2 及其基因表达 研究。 方法和结果如下： 新西兰大白兔 20 只，行 nHA/PA 人工肱骨头置换术。术后 3、6、 12、24 周分别处死动物。标本进行如下检查：X 线、组织学及计算 机图象分析、力学测试、免疫组织化学和原位杂交。 （1）人工肱骨头生物活性研究：X 线观察各周肱骨头假体无碎裂， 可见各期假体柄表面周围界面模糊，密度随时间增加。12 周、24 周 组关节柄假体似有一些低密度区域。组织学观察术后 3 周，围绕假体 形成的界膜组织中可见成骨细胞呈镶边状排列，大量成纤维细胞、间 充质细胞、成骨细胞浸润；随着时间的延长，界膜中纤维组织逐渐由 类骨质代替，至术后 24 周，可见界膜出现成熟骨组织。此外，各期 肱骨头表面光滑，无凹陷小孔；假体柄表面到术后 12 周可见多个不 规则的凹陷小孔，镜下可见有新骨组织长入材料；到 24 周时这些凹 3 WP=8 重庆医科大学博士学位论文 陷小孔变大变深，数量增多，也可见新骨组织长入材料。界面力学测 试：3 周组6 周组12 周24 周组（P0.05）, 提示界面组织抗剪力 增加。骨组织结合率：3 周组6 周组12 周24 周组（P0.05），其中 12 周组和 24 周组更高达 91%、97%，这远远高于文献报道的多孔表 面金属假体骨结合率。 （2）人工肱骨头生物相容性研究：仅在术后3周可见界膜内 CD4 、 + CD8 淋巴细胞浸润，未见其它炎症细胞。其余周次未见淋巴细胞和其 + 它炎症细胞浸润。 （3）人工肱骨头体内成骨的 BMP-2 及其基因表达研究：假体植 入第 3 周，免疫组织化学染色显示 BMP-2 即有弱阳性表达，至 6、 12 周为强阳性；第 24 周，BMP 表达阳性率及阳性程度均有所降低。 此外，原位杂交观察假体植入第 1、2 周，成骨细胞中 BMP-2 mRNA 表达呈弱阳性，第 3 周成骨细胞中 BMP-2 mRNA 表达呈强阳性，而 在第 4 周，成骨细胞中表达阳性率和阳性程度均有所下降。研究显示 人工肱骨头体内成骨的 BMP-2 及其基因表达高峰时间较文献报道的 骨折模型晚。 综上所述，我们可以得出以下结论：（1）nHA/PA 植入体柄具有 一定的界面骨结合能力。界面具有一定的生物力学强度，初期纤维组 织及毛细血管长入，逐渐为新骨组织替代。（2）nHA/PA 植入动物体 内 3 周，界膜上仅见少量淋巴细胞浸润，免疫反应较弱，提示 nHA/PA 具有良好的生物相容性。（3）nHA/PA 植入体柄具有一定的生物降解 能力。植入体柄从 12 周开始出现降解，以表面降解为主，形成多个“凹 4