生物玻璃和壳聚糖改性的多孔活性骨水泥实验研究

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在我国骨质疏松症患者有8000万,每年新发的椎体压缩骨折患者有181万。对椎体压缩骨折的临床治疗最常用的方法是椎体成型术,目前临床广泛应用的椎体成形材料是聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥。该材料有固化速度快,力学强度高等优点,但也存在着明显的不足:无成骨活性,不可吸收,弹性模量高。研发出一种具有成骨活性,部分可吸收,合适弹性模量的椎体成型材料是骨科及材料学研究中热点之一。生物玻璃是一种新型的生物活性材料,具有良好的生物相容性和生物活性,能诱导新骨的生成。壳聚糖是一种天然的高分子材料,对成骨细胞有很好的粘附作用并促进其分化,具有良好的可降解性、生物相容性。通过材料复合的方法将生物玻璃和壳聚糖与聚甲基丙烯酸甲酯复合性,使聚甲基丙烯酸甲酯实现部分降解和内部多孔,有望获得一种多孔、低弹性模量和促进骨长入的多孔活性骨水泥(Porous Bioactivebone Cement,PBC)。研究目的:通过研究不同配比的多孔活性骨水泥体内降解、新骨形成和体内生物力学特性,优选成骨活性和生物力学性能较好的多孔活性骨水泥。研究方法:将聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)粉末、玻璃粉末和壳聚糖颗粒按照不同组分质量百分比(wt%)比例配制成3种PBC:PBCⅠ(50:40:10)、PBCⅡ(40:50:10)和PBCⅢ(30:60:10)。48只新西兰大白兔,体重4.0±0.5Kg,雌雄不限;于双侧股骨髁部制备深度为10mm、直径为4mm缺损模型。实验动物模型随机分为4组,每组12个,分别于双侧缺损处植入单纯PMMA骨水泥、PBCⅠ骨水泥、PBCⅡ骨水泥和PBC Ⅲ骨水泥。术后1周行膝关节正侧位X线片检查。术后3、6个月每组分别处死6只动物,原位取出各组骨水泥行生物力学检测、显微CT检测和Van-Gieson染色组织学观察;未植入的对应各组骨水泥行生物力学测试,作为对照。实验数据用软件SPSS13.0进行统计分析。研究结果:1.术后3个月,显微CT显示PMMA组在PMMA和骨组织之间有明显的空隙,PBCⅠ、PBCⅡ、PBC Ⅲ组可见骨组织和骨水泥之间形成紧密连接;组织学结果显示PMMA组可见纤维结缔组织环绕在PMMA和骨组织之间;PBCⅠ、PBCⅡ、PBCⅢ组可见壳聚糖颗粒有不同程度降解,PBC Ⅲ组降解最为明显。术后6个月,显微CT结果与术后3个月相似, PBCⅡ、PBC Ⅲ组骨水泥内可见大量的骨组织长入;组织学结果显示PMMA组与术后3个月变化不大;PBCⅠ、PBCⅡ、PBC Ⅲ组可见骨组织沿壳聚糖降解后形成的空隙向骨水泥内部生长,PBCⅡ、PBC Ⅲ组骨生长较PBCⅠ组更好。2.未植入及术后3、6个月,PBCⅡ、PBC Ⅲ组的压缩强度和弹性模量均较PMMA组明显下降(P<0.05);PBCⅠ组的压缩强度也较PMMA组明显下降(P<0.05),但其弹性模量在未植入时与PMMA组比较差异无统计学意义(P>0.05);PBCⅡ组的压缩强度和弹性模量与PBC Ⅲ组比较差异亦无统计学意义(P>0.05)。与未植入组相比,PBCⅠ、PBCⅡ、PBC Ⅲ组在术后3、6个月的压缩强度和弹性模量均显著下降(P<0.05),PMMA组无显著变化(P>0.05)。与术后3个月相比,PBCⅡ、PBC Ⅲ组术后6个月的压缩强度均有显著上升(P<0.05)。结论:以PMMA粉末、生物玻璃粉末和壳聚糖颗粒按照质量百分比(W/W,%)40︰50︰10比例制备的PBCⅡ及30︰60︰10比例制备的PBCⅢ骨水泥比目前临床使用的PMMA骨水泥有更好的成骨活性和生物力学性能,使用PBCⅡ和PBCⅢ骨水泥行椎体成形术可能会降低临近椎体骨折的风险。
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