以微结构可控钽涂层多孔钛合金支架为载体构建组织工程人工椎体的生物学研究

摘要

在我国，脊柱肿瘤、脊柱感染性疾病和不稳定性椎体骨折发病率逐年增加，其后果往往会造成严重的椎体破坏，进而可能发生脊柱不稳及脊髓、神经根损伤，更甚者造成患者瘫痪。脊柱前路减压椎体全切或次全切除术被认为是脊柱肿瘤、脊柱感染性疾病和不稳定性椎体骨折主要的临床外科治疗手段。然而在手术过程中，外科医生不得不对失去完整稳定性的脊柱进行重建，先前常用的方法是采用自体髂骨或腓骨进行移植填充椎体骨缺损。但是马上有学者发现单纯的自体骨移植存在自体骨量不足及在术后并不能提供足够的即时稳定性等缺点。钛笼及人工椎体作为一类有效的椎体替代物逐渐在临床上得到广泛应用。但是目前使用的钛笼或人工椎体均为单纯力学支撑材料，其自身和自体骨相比无骨传导（osteoconductivity）、骨诱导(osteoinductivity)及骨生成（osteogenesis）作用，在恢复脊柱稳定性的前提下，不能促进相邻脊柱节段融合；另外一些材料易碎和易疲劳性，长期植入可能带来骨应力集中和骨吸收等问题，造成钛笼或人工椎体的不稳、下沉或增加临近脊柱节段骨折的风险，特别是对于骨质疏松症（Osteoporosis,OP）患者。
　　组织工程技术是近年来兴起的融合工程学与生命科学的崭新研究方向，目前通过该技术已经能够在体外构建有生物活性的种植体，并已部分应用于临床。但是，将其应用于人工椎体的体外构建及体内生物活性研究尚未见文献报道。因此，通过组织工程技术，设计一种符合脊柱生物力学特性，材料结合表面处理方法的，同时还具有骨传导、骨诱导及骨生成作用的组织工程人工椎体已经成为脊柱肿瘤、脊柱感染性疾病和不稳定性椎体骨折外科治疗领域的热点。
　　研究目的：
　　1.从支架载体生物力学性能、涂层表征及复合细胞效果三方面系统评估钽涂层组织工程人工椎体的构建效果；
　　2.探讨钽涂层组织工程人工椎体在构建及修复椎体缺损过程中的作用机制及生物学效应。
　　研究方法：
　　1．根据新西兰大白兔腰椎(L6)Micro-CT扫描分析制备外部形态复合兔腰椎解剖结构的多孔钛合金（Ti-6A1-4V）支架载体，对比兔L6椎体及钛笼，进行最大压缩载荷和抗疲劳生物力学实验；2.应用化学气相沉积法（ChemicalVaporDeposition,CVD）对多孔钛合金支架进行钽涂层，并对支架进行扫描电镜、抗压强度及X射线衍射分析；3.将经钽涂层处理后的多孔钛合金支架体外复合新西兰大白兔骨髓基质干细胞（Bonemarrowmesenchymalstemcells，BMSCs），对比无涂层支架，采用组织学、荧光染色、碱性磷酸酶及甲基噻唑基四唑（MehtylThiazolylTetrazolium，MTT）观察骨髓基质干细胞在支架表面粘附、增值和分化能力；4.将复合兔BMSCs的钽涂层组织工程人工椎体植入腰椎缺损兔模型体内，术后8周、12周分别取材进行Micro-CT分析、组织学观察和生物力学测试。
　　研究结果：
　　1.多孔钛合金支架、钛笼及兔腰椎椎体生物力学实验中，兔L6椎体与多孔钛合金支架之间的最大压缩载荷及疲劳实验前后刚度变化值无明显统计学差异（P>0.05）；而钛笼其最大压缩载荷及刚度变化值较前两者间有显著的统计学差异（P<0.01）；2.经过钽涂层处理，在多孔钛合金支架表面形成一层均一的、多孔的钽金属层，其平均孔隙率为700±50μm，厚度约为3μm。其平均抗压强度为83.8±4.2MPa，屈服强度为74.6±3.5MPa，弹性模量为11.3±0.4GPa，与骨质更接近，且明显优于单纯多孔钽金属支架（P<0.05）；3.骨髓基质干细胞细胞在钽涂层多孔钛合金支架表面形态较无涂层组好，伪足伸展更充分，涂层组细胞的增值、粘附和分化能力均显著优于无涂层组(P<0.05)；4.兔腰椎缺损修复体内实验中，钽涂层组的垂直刚度和旋转刚度均显著高于无涂层组组(P<0.05)，Micro-CT检测和组织学检测显示大量新生骨在钽涂层组织工程人工椎体周围形成，在骨小梁数量和质量上均优于无涂层组组(P<0.05)。
　　结论：
　　1．多孔钛合金支架力学强度和抗形变能力与兔腰椎椎体接近，为其作为载体构建组织工程人工椎体提供了可靠保证；
　　2．钽涂层多孔钛合金支架不仅具有良好的孔隙结构，而且其弹性模量与人体骨质更加接近，能够提高支架表面粗糙度及生物活性；
　　3．在多孔钛合金支架材料表面进行钽涂层处理，有利于骨髓基质干细胞伪足的展开，也增加了骨髓基质干细胞粘附、增值和分化的能力；
　　4．以钽涂层多孔钛合金支架为基础构建的组织工程人工椎体增强了其自身成骨活性，并兼具骨传导、骨诱导及骨生成作用，更有利于椎体缺损的修复；
　　5．本研究构建的钽涂层组织工程人工椎体具有良好的机械性能、优秀的组织相容性以及特有的骨传导、骨诱导和骨生成作用，为其将来应用于临床提供可靠的理论及实际依据。

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前言

文 献 回 顾

1. 钛笼及人工椎体

2．多孔钽金属

3．组织工程骨

4. 组织工程人工椎体

正文

实验一 人工椎体支架载体的制备及生物力学研究

1 实验材料

2 方法

3 结果

4 讨论

5 结论：

实验二 钽涂层多孔钛合金支架的制备与表征

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

5 结论

实 验 三钽涂层多孔钛合金支架载体体外组织相容性研究

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

5 结论

实验四 组织工程人工椎体的体内生物学研究

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

小结

参考文献

个人简历和研究成果

致谢