多孔钽铌合金的制备与生物相容性研究

摘要

骨科生物材料在近半个世纪经历了飞速发展，但作为应用最为广泛的内植物，传统金属材料仍面临应力遮挡和骨—植入物界面结合两大问题，普遍存在于脊柱、关节、创伤等领域。以多孔钽为代表的多孔金属是近年来出现的一种新型骨科生物材料，具有与松质骨骨小梁结构相似的孔隙结构，适合骨组织长入的孔隙大小及与骨组织相近的弹性模量，是目前生物材料领域的研究热点。铌具有良好的生物相容性，且可通过上调碱性磷酸酶活性增强成骨细胞功能表达，促进成骨。本研究通过泡沫浸渍技术与粉末冶金技术制备具有良好孔隙结构及生物力学性能的多孔钽铌合金，并通过体外与MC3T3-E1细胞共培养及体内植入实验评价其组织相容性，为多孔钽铌合金的临床应用提供实验依据。
　　2、多孔钽铌合金的制备及性能
　　目的:制备多孔钽铌合金并测定其理学性能。
　　方法:结合粉末冶金法和胶体浸渍法，通过成分设计制备三种不同Nb含量（5％，10％以及15％）的Ta-Nb多孔金属并通过SEM，光学显微镜，力学试验机等分别对材料的孔隙度，孔隙结构，微观结构，力学强度以及弹性模量进行观察和表征。通过优化和选择，找到适合的Ta-Nb多孔合金成分以及制备该材料的最优化的工艺。
　　结果:通过SEM和光学显微镜以及密度测试，三种成分的多孔材料兼具有55％左右的孔隙率，开孔率在95％左右，孔隙大小在400μm左右，这些参数与材料的成分变化关系不大;通过压缩试验和抗弯试验，发现随着Nb含量的增加弹性模量和压缩强度在10％含量的Nb时，抗压强度为83.43MPa，弹性模量为2.54GPa，压缩曲线显示该材料具有良好的应力塑性平台。
　　结论:通过粉末冶金和胶体浸渍法成功制备出Ta-Nb多孔材料。在Nb含量10％的多孔钽铌合金具有最佳的孔隙结构、开孔率及力学性能指标。
　　3、多孔钽铌合金体外对成骨细胞的分子相容性研究
　　目的:探讨多孔钽铌合金对小鼠成骨细胞系MC3T3-E1的分子相容性。
　　方法:通过不同浓度多孔钽铌合金浸提液对小鼠成骨细胞系MC3T3-E1的毒性试验探讨其安全性。将MC3T3-E1细胞分别种植在多孔钽铌合金、多孔钽及致密钽铌合金表面，进行吖啶橙染色、细胞计数及扫描电镜观测细胞在三种材料表面的粘附及增殖情况。应用Q-PCR技术测定MC3T3-E1与三种材料共培养后对Ⅰ型胶原、ALP、OC、Ki67、Interginβ1、TGF-β和Cbfα-1mRNA的表达情况，从分子水平探讨多孔钽铌对成骨细胞功能相关基因的影响。
　　结果:材料浸提液细胞毒性实验结果显示多孔钽铌浸提液对小鼠成骨细胞系MC3T3-E1的毒性级别为0-Ⅰ级，属于无毒范围。多孔钽铌浸提液对MC3T3-E1的增殖无抑制作用，与阴性对照组比较无显著性差异。多孔钽铌和多孔钽对成骨细胞的粘附能力高于致密钽铌合金(P＜0.05)。MC3T3-E1细胞在多孔钽铌及多孔钽表面的增殖情况同样优于致密钽铌合金，细胞计数结果显示有显著性差异(P＜0.05)。电镜扫描可见MC3T3-E1在多孔钽铌合金及多孔钽表面生长良好，细胞数量随时间延长而增加，并向孔隙内部生长。Interginβ1、Cbfα1、TGF-βmRNA在多孔钽铌合金及多孔钽表面细胞中表达强于致密钽铌合金，多孔钽铌合金表面细胞对ALPmRNA的表达强于另外两组，差异均有统计学意义。
　　结论:多孔钽铌对小鼠成骨细胞MC3T3-E1无毒性，可以促进MC3T3-E1的粘附、分化和增殖，生物相容性不亚于多孔钽。多孔钽铌可上调Integrinβ1、Cbfα1、TGF-βmRNA的表达，程度与多孔钽相近，而对ALPmRNA的上调水平甚至超过多孔钽，在分子水平提供了多孔钽铌对小鼠成骨细胞作用的依据。
　　4、多孔钽铌合金体内组织相容性研究
　　目的:比较多孔钽铌合金、多孔钽和致密钽铌合金的骨整合能力，探讨其作为体内植入物的可行性。
　　方法:将多孔钽铌合金、多孔钽和致密钽铌合金棒植入新西兰大白兔股骨远端，分别在2w、6w、12w行X线检查，在6w及12w取材后进行扫描电镜和硬组织切片检查，12w时间点取材行推出实验。
　　结果:三组材料周围软组织均未见明显排异及炎症反应，各时间点X线片均未见松动、移位，其中多孔钽铌合金组及多孔钽组6w及12w时在材料两端均有成骨现象，而致密钽铌合金未见成骨。扫描电镜观察可见6w时多孔钽铌合金及多孔钽表面有钙磷沉积，材料-骨结合结合面无纤维膜间隔，结合较为紧密，材料孔隙内部同样有新生骨小梁形成;12w时两种材料与骨质结合更加紧密，表面孔隙内为新生骨组织填充，金属小梁与骨小梁之间形成紧密地嵌合;致密钽铌合金与骨组织之间可见纤维组织膜。50μm厚带材料硬组织切片显微镜下观察可见多孔钽铌及多孔钽与兔股骨髁骨质结合紧密，表面孔隙内有大量新生骨组织。推出实验中，致密钽铌合金组平均最大推出力为94.2±17.9N，与多孔钽铌合金组(328.9±35.3N)及多孔钽组(316.6±22.9N)之间有显著性差异，多孔钽铌合金组与多孔钽组之间无显著性差异。
　　结论:多孔钽铌可在体内与骨质形成牢固的骨整合，且有大量新生骨组织长入孔隙内部，形成牢固的嵌合，体内组织相容性良好，适合作为体内植入物。