多孔块状生物活性玻璃骨替代材料修复兔骨缺损的实验研究

摘要

研究背景：
　　 由于创伤、感染、肿瘤切除及先天性疾病等各种原因导致的骨缺损一直是骨科领域棘手而具有挑战性的课题。骨移植是目前临床治疗骨缺损的主要方法,自体骨移植是治疗骨缺损的“金标准”；但存在供骨来源有限,影响供区功能等缺点,而且需要额外手术,增加了疼痛、出血、供体部位感染以及神经血管损伤的风险；同种异体骨移植虽然来源相对充足且可避免手术给患者带来的疼痛、感染等由于自体取骨带来的并发症,但其具有一定的抗原性,存在排斥反应及传播HIV、肝炎等疾病的危险,各种金属或高分子材料多作为永久性植入体,不能被吸收滞留于体内妨碍组织的改建与完全修复。因此,客观上要求人们寻找理想的骨替代物。理想的骨移植替代材料必须具有良好的生物相容性；优良的生物可降解性；三维立体多孔结构；良好的可塑性和一定的机械强度以及良好的材料——细胞界面；并易于消毒。
　　 20世纪70年代初,美国佛罗里达大学 L.L.Hench教授发明了生物活性玻璃,将其植入生物体内后材料中的组分可以同生物体内的组分互相交换或者反应,最终形成与生物体本身相容的物质,并成功应用于人体硬组织的修复。生物玻璃成功的应用不仅来源于它良好的骨传导作用,骨引导性,更重要的是其具有促进骨组织生长的骨诱导性。生物活性玻璃是迄今为止报道的惟一可以与骨组织和软组织良好键合的骨修复材料。其他人造材料植入到人体内后都将引发异体反应并在人体组织与材料的界面处形成非黏附性的瘢痕组织；而生物活性玻璃在植入体内后并不形成界面瘢痕组织,相反它们与活体骨形成骨键结合而牢固地稳定在植入处。生物活性玻璃也是目前惟一能促进生长因子生成、促进细胞繁衍和活化细胞基因的人工无机材料。因此；被认为是一种理想的骨替代材料,但是理想的骨替代物还应具备合理的三维空间结构。
　　 研究表明,多孔材料的高孔隙率和较大的孔径使材料表面积增大,进而提高了材料与人体体液或组织的作用范围,增强了材料与组织的界面结合强度,有利于细胞黏附生长,细胞外基质沉积,营养和氧气进入,也有利于血管和神经长入,从而加速材料降解,促进新生骨形成。而常用的生物玻璃密实无孔、比表面积小,不利于骨组织和血管长入。本研究将生物活性玻璃骨替代材料制成多孔块状使其更加符合自然骨的结构特点,以期进一步提高材料的降解性能和成骨性能。本实验通过建立兔股骨远端骨缺损模型,植入新型多孔材料,并通过对骨缺损区新生骨和材料降解的观察,并与传统生物活性玻璃比较,评价其体内生物相容性,验证其在修复骨缺损和生物降解性能方面是否具有优势。
　　 目的：
　　 通过将新型多孔块状生物活性玻璃骨替代材料植入新西兰兔股骨髁骨缺损处,探讨多孔块状生物活性玻璃骨替代材料的骨缺损修复能力和体内生物相容性,揭示影响骨替代材料降解性能和成骨性能的相关因素。为临床应用提供实验依据,从而获得具有广阔应用前景的新型骨修复材料。
　　 研究方法：
　　 1、电子显微镜观察材料的显微形貌
　　 将材料表面喷镀金膜,上机扫描观察材料的表面形貌和微孔结构。
　　 2、兔股骨髁骨缺损修复实验
　　 取30只健康成年新西兰大白兔,根据股骨远端骨缺损中植入的材料不同随机分成3组,每组10只,20侧。严格无菌条件下于兔股骨外上髁处用直径6mm环形钻垂直间断钻入,最终形成直径为6mm、深10mm～12mm的骨缺损。骨缺损处实验组植入新型多孔块状可吸收生物活性玻璃骨替代材料,材料对照组植入常用非多孔生物活性玻璃骨替代材料,空白对照组不植入任何材料。
　　 3、X线检查
　　 于术后6、12周处死实验动物,当天行双侧股骨远端正侧位X线检查,观察材料的降解和骨缺损的修复情况。
　　 4、显微CT检查
　　 将标本置于 Micro—CT系统的扫描杯,沿取材标本的纵轴自上向下扫描,获取连续的 Micro—CT图像。并各组标本的图象数据进行三维重建观察。并采用 Microview ABA软件定量分析植骨处新生骨组织矿物质含量(TMC)、骨体积分数(BVF)。用Overlay叠加的方法用不同的颜色来复合显示各个标本植骨区域内的降解剩余材料和新生骨。
　　 5、塑料包埋不脱钙切片组织学检测
　　 取材后于10％中性福尔马林液内固定,梯度乙醇脱水,聚甲基丙烯酸甲酯包埋,Leica1600型切片机沿股骨矢状面切片,厚度100um,Van Gieson(V.G)染色。
　　 切片染色后在Leica显微镜16×镜下用利用 InStudio Version图像分析软件采集整个骨缺损植骨区视野,用 Image pro plus6.0图像分析软件系统测量各组新生骨占骨缺损面积的百分比以及未降解材料占骨缺损面积百分比。
　　 结果：
　　 1、扫描电镜观察显示实验组材料均为珊瑚状多孔结构,气孔多为连通气孔。多孔材料的气孔分布为大孔——微孔结构,大孔孔径为100～300 um,大部分相互连通,对照组为均匀致密的微颗粒。
　　 2、两种材料植入动物体内后均无感染和排斥反应。6周取材时肉眼观察植骨部位无化脓、渗液；骨缺损边界尚清晰,两组均可见材料开始降解,新生骨部分覆盖材料,空白组骨缺损区纤维包膜下尚无骨质形成。12周时,实验组、对照组股骨髁外侧骨缺损处均被新生骨质覆盖,骨缺损边界模糊。
　　 3、X线观察结果
　　 术后6周,实验组和对照组植骨区材料逐渐降解,材料内部结构不均匀,与宿主骨界限模糊。实验组骨缺损边缘及植入材料已较模糊,材料与宿主骨融为一体,骨缺损区阴影密度大部分接近宿主骨；对照组材料密度较实验组高。术后12周,实验组材料面积进一步缩小,材料与周围正常骨的密度相当,与周围宿主骨之间的界线难以分辨,对照组材料密度较实验组稍高,边缘部分与正常骨密度相似,空白组于骨缺损边缘处可见少量无序新骨生成影。
　　 4、显微CT观察及测量结果
　　 术后6周,二维切面显示实验组和对照组材料密度较周围宿主骨密度高,材料与宿主骨之间无间隔但界限尚清楚。实验组材料颗粒较大,密度不均,植骨区中间及块状材料内部出现密度减低区；对照组材料颗粒较小大小均匀一致,植骨区中间及材料内部密度均匀致密。三维重建显示实验组材料与宿主骨连接处有较多骨小梁形成,并相互连接成网络状,骨缺损中心部骨小梁相对稀疏；对照组植骨区周边部骨小梁形成较实验组稀少,中心部新生骨小梁更加稀少,排列凌乱。空白组骨缺损边界清晰,无新生骨形成。
　　 术后12周时实验组和对照组材料密度与周围宿主骨密度接近,对照组较实验组密度稍高。实验组材料几乎完全降解,骨缺损完全修复,骨小梁成片或成网状生长,髓腔形成；对照组植骨中心区材料尚未完全降解,空白组骨缺损未愈合。
　　 Microview ABA软件定量分析结果显示术后三个组在不同时间点新生骨的TMC、BVF均有显著差异,12周时均高于6周；且不同组间新生骨的 TMC、BVF均有显著差异,实验组>对照组>空白组,差异有统计学意(P<0.05)；说明随着时间的延长各组新生骨均明显增加,但实验组材料具有更快的成骨性能。
　　 5、组织学观察
　　 术后6周时,实验组植骨区周边部材料降解吸收明显,中心区残留材料较周边部多,周边部可见较多新生骨小梁并向骨缺损中心区长入,对照组植骨区周边部材料部分降解吸收,中心区材料未见明显颗粒崩解现象,少量新生骨长入材料内部,新生骨主要为尚未成熟的类骨质；空白组可见少量无序的新生骨形成。
　　 术后12周时,实验组骨缺损边缘界限不清,植骨区周边部材料几乎完全降解消失,新生骨小梁似松质骨,并可见成熟哈佛氏系统散布于新生骨内,骨小梁塑形改建有序排列。对照组植骨中心区材料逐渐降解吸收,新生骨小梁生长延伸、分割包绕残留材料,类骨质向成熟骨组织转化。空白组少量新生骨在骨缺损边缘形成。
　　 计算机图像分析软件计算各组新生骨占骨缺损面积的比、残留未降解材料占骨缺损的面积比,结果显示:术后三组在12周时新生骨占骨缺损的面积比与6周时相比有显著差异,且不同组间新生骨占骨缺损的面积比也有显著差异,差异均有统计学意(P<0.05)；实验组和对照组在不同时间点未降解残留材料占骨缺损的面积比有显著差异,且不同组间未降解残留材料占骨缺损的面积比也有显著差异,差异有统计学意(P<0.05)。
　　 结论：
　　 1、两种生物活性玻璃骨替代材料均具有良好的体内生物相容性、生物降解性、骨传导性和生物活性。
　　 2、多孔块状生物活性玻璃具有和骨组织相类似的三维多孔结构,表现出比普通生物活性玻璃更快的生物降解性和较好的骨引导性,骨修复速度更快,是一种良好的骨替代材料,具有广阔的应用前景。
　　 3、人工骨的三维结构是影响其成骨性能和生物降解性能重要因素之一。