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增强型多孔生物陶瓷的制备及实验研究

胡志琦  
【摘要】: 一、研究目的 随着材料科学和骨组织工程技术的发展,人工骨移植材料趋于替代自体、异体骨移植材料,应用于临床各种骨缺损的修复。致密型生物陶瓷有较好的力学性能,可以起到支撑和支架作用,但是由于它不存在能适合组织和细胞生长的微结构,因此它的生物学性能较差。目前应用于临床的主要是生物可控性微结构多孔生物陶瓷。这种微结构能根据细胞和组织生长的需要,而被完全控制制作,并能控制材料的降解程度。但是它的力学性能又较差,不能对受力部位和器官起到良好地支撑作用,因此目前多孔生物陶瓷仅能作为填充材料和非承重部位的组织生长传导材料。为了解决以上两者之间的矛盾,既要有较好的力学性能,又要有较好的生物学性能。通过对天然骨骼的结构进行分析,发现骨骼优异的力学性能得益于其密质骨与松质骨的复合结构;本研究即是在其启发下制作了增强型多孔β-TCP生物陶瓷,并通过动物模型验证其骨整合、生物降解及生物力学性能。 二、研究方法 (一)增强型多孔型生物陶瓷的制备 根据产品形状和大小,制作相应的分体式模具,根据产品的用途及使用的方法,可随意设计增强体的容积量;或通过公式计算来确定增强体的容积量。 该增强型陶瓷可采用注浆成形、模压成形或模压-注浆协同成形来制作坯体。增强型陶瓷坯体放置到烧结炉中,逐步升温到200℃至400℃气化消除有机物质,随后继续升温到800℃至1300℃烧结成陶瓷。该陶瓷含有致密和多孔两个部分。致密部分主要起到增加力学强度作用,而多孔部分主要起到细胞和组织长入的引导作用,同时能被血管化而获得足够的血液供应营养,使新生组织形成相应的功能。该增强型陶瓷的致密部分可含有微孔,微孔率为O.1%-20%。该增强体的多孔部分孔径为50-1000μm,气孔率为50%-85%,孔的内连接径20-500μm,孔隙沟通率10%-100%。 (二)动物模型的建立 新西兰大白兔24只随机分为二组:A组为实验组,即增强型多孔β-TCP生物陶瓷组;B组为对照组,即多孔型β-TCP生物陶瓷组。每组均为12只。每只大白兔均行双侧股骨β-TCP生物陶瓷植入术,放入不同类型的β-TCP生物陶瓷。待手术后4、12、24周,每组均处死4只兔子并取出标本,留存备用。 (三)骨整合能力测定 1.骨缺损区骨矿含量测定术后4、12、24周动物处死,死前用Norland XR-36型骨密度测量仪及小动物检测软件测定动物双侧桡骨骨缺损区的骨矿含量。 2.组织学检查三组分别于术后4、12和24周用空气注射法各处死1/3动物。将手术部位下1/3股骨完整取出,然后将标本纵向切割后进行硬组织切片丽春红染色并进行形态学观察。 (四)生物降解能力测定 将标本制作为硬组织切片,X线显微照相后,依据各种组织在X线透视中透光度不同,由计算机图像处理软件给出结果。 (五)生物力学性能测定 将取出的标本圆柱体的两个端面磨平。测量受压面积后,试件垂直放置在MTS855型生物力学试验机(美国MTS)上,测定其抗压缩强度,加载速度为1mm/min,直至圆柱体破裂,记录试件破坏时的极限载荷,计算抗压极限强度。 三、结果 (一)骨整合能力 在术后当天、4周的骨密度值无显著性差异(P0.05),术后12周、24周实验组的骨密度值低于对照组(PO.05)。随着时间的延长,两组的骨矿含量呈增长趋势。另将24周实验组和对照组的骨密度值与术前所测得的正常值(0.3375士0.0290)进行单向方差分析(One-Way ANOVA),发现三者无显著性差异(F=3.186,P=0.062),此时两组的骨矿含量已接近于正常。 (二)生物降解性 增强型β-TCP中心多孔部分降解较快,周边致密部分降解缓慢,其生物陶瓷实质部分降解速度慢于多孔型,结果有统计学意义,与单纯多孔型相比,其周径变化不大,形态保持较好。 (三)生物力学性能 增强型多孔生物陶瓷自身强度随时间减少不显著,在各时间节点其强度均强于多孔型,结果有统计学意义。 四、结论 增强型多孔型生物陶瓷有较好的力学性能,可以起到支撑和支架作用,同时存在能适合组织和细胞生长的微结构,因此它在基本保持多孔陶瓷生物学性能,如生物降解性、骨传导性等的同时,它的力学性能有了较大的增强,能对受力部位起到较好地支撑作用。因此可认为增强型多孔型生物陶瓷在承重部位骨缺损的修复上具有较为广阔的前景。


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