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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

张健  
【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


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