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改良中空加压螺钉复合可注射BMP缓释载体治疗股骨颈骨折的实验研究

姚琦  
【摘要】: 股骨颈骨折是临床上常见的一种骨折,约占全身骨折的3.6%。由于股骨颈位置深在,解剖结构和生物力学都非常特殊,股骨颈骨折后极易损伤头、颈的血运,使股骨头血供减少,不但使骨折不易愈合,而且容易发生股骨头缺血性坏死,文献报道股骨颈骨折继发骨不连的发病率为20%,继发股骨头坏死的发病率高达30%。随着组织工程技术的出现、发展和不断进步,将开辟股骨颈骨折及其并发症系列治疗的新途径。本课题以股骨颈骨折为研究对象,在骨折解剖复位和坚强内固定的基础上,结合组织工程学研究,将组织工程技术与骨折内固定原理相结合,通过改良中空加压螺钉—BMP定向缓释体系治疗犬股骨颈骨折,为临床治疗股骨颈骨折进行初步尝试和探索性实验研究。 目的 1.建立改良中空加压螺钉内固定股骨颈骨折的有限元模型,计算其内固定股骨颈骨折的相关应力分析,为其改良设计提供合理的力学验证。 2.制备rhBMP-2/PLGA微球并将其与纤维蛋白胶复合,构建具有自固化能力的可注射性BMP缓释体系,探讨rhBMP-2/PLGA微球/纤维蛋白凝胶临床实际应用的可行性。 3.测定复合材料的rhBMP-2体外释放活性,并通过体外细胞培养和体内异位成骨两种方法探讨其材料的组织相容性和异位成骨能力。 4.建立犬股骨颈骨折的动物实验模型,观察改良中空加压螺钉-BMP缓释系统在股骨颈骨折治疗中的应用,为治疗股骨颈骨折进行初步尝试和探索性实验研究。 材料与方法 1.在普通加压螺钉设计的基础上,进行改良中空加压螺钉的设计,利用有限元分析软件ANSYS9.0对改良中空加压螺钉微孔的分布以及螺钉的强度进行优化设计。 2.采用复乳-溶剂挥发法制备W/O/W型rhBMP-2/PLGA载药微球,并将携载rhBMP-2的PLGA微球与纤维蛋白胶复合,建立具有自固化能力的可注射BMP缓释系统。 3.通过体外培养BMSC,用rhBMP-2/PLGA微球和rhBMP-2/PLGA微球/纤维蛋白胶作为培养条件,通过ALP试剂盒检测它们对BMSC分化的影响;并将材料植入股部肌袋,通过组织学检查评价材料的异位成骨能力。 4.选用健康成年杂种犬18只,均采用手术方法造成双侧股骨颈移位骨折模型,对照侧采用改良中空加压螺钉内固定、实验侧采用改良中空加压螺钉内固定复合可注射BMP缓释载体,实验动物分别在4、8、12周处死取材,通过X线摄片、放射性核素骨扫描、及大体组织病理学等方法观察股骨颈骨折愈合过程,客观评价改良中空加压螺钉内固定复合可注射BMP缓释载体治疗股骨颈骨折的疗效。 结果 1.有限元分析结果表明,开孔中空加压螺钉可以满足固定股骨颈骨折的力学强度。随着开孔直径的增加,中空加压螺钉上的最大的Mises应力就越大,也就是最大应力越趋近于中空加压螺钉的强度极限(896MPa),根据计算结果确定出开孔的上限值为d=2.0mm。 2.通过复乳-溶剂挥发法制备载药微球粒径为53.2±2.1μm,载药率为(5.12±1.32)%。释药测定结果显示:rhBMP-2/PLGA微球与rhBMP-2/PLGA微球/纤维蛋白胶体外释放均呈双相,在微球组2h、8h、24h、2d释放BMP量分别为3.65%、5.17%、8.95%、11.76%。随后的3-42d呈持续缓慢释放,42天释放BMP量达到91.75%。在rhBMP-2/PLGA微球/纤维蛋白胶组2h、8h、24h释放BMP量分别1.15%、1.75%、6.68%,2dBMP释放量达到16.76%,随后的3-42d也呈持续缓慢释放,但释放量均较BMP组少,42天释放BMP量达到76.75%,低于微球组(91.75%)。 3.碱性磷酸酶活性检测结果显示二组对BMSC的ALP活性均有促进作用(P<0.05),并具有较强的异位诱导成骨能力。 4.结果:①X线检查4周时骨折线模糊,8周骨折已基本消失,12周时骨折完全愈合,头内骨小梁清晰,密度正常,均无坏死表现,分别请放射科2位医师单盲对比全部犬实验侧及对照侧骨折愈合情况均认为实验侧优于对照侧。②从获取标本的股骨颈断面上观察,实验组较对照组愈合良好。③组织学观察也发现术后4、8、12周实验侧较对照侧股骨颈修复过程快。④术后核素骨扫描检查发现4周双侧股骨头血供开始恢复,且实验侧股骨头血供恢复及骨组织修复过程快。术后4,8周实验侧头/干比值大于对照侧,差异显著(P<0.01),而对照侧于12周出现最大值,此时对照侧头/干比值大于实验侧,差异显著(P<0.01)。 结论 1.改良中空加压螺钉可以保证股骨颈骨折的解剖复位和坚强内固定,为中空加压螺钉的进一步优化设计和医疗实践提供了有力的依据。 2.rhBMP-2/PLGA微球/纤维蛋白胶具有良好的缓释效果并具有可注射性,既可以降低局部的酸环境,又可以在局部维持较高浓度,达到所期望的生物效应。 3.rhBMP-2/PLGA微球/纤维蛋白胶复合材料可以作为BMP的可注射性载体,具有良好的生物活性、安全性、可生物降解,释放的BMP具有较强的异位诱导成骨能力。 4.改良中空加压螺钉-BMP定向释放系统的设计思路是可行的,该系统既能完成骨折端加压,达到坚强的内固定,又能向骨折端输注缓释生长因子,有利于促进骨折早期愈合,为此法应用于临床提供了实验依据。


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