interactionbetweencarboncompositesandboneafterintraboneimplantation英文文獻翻譯

1、骨內(nèi)植入C/C復合材料兩者反應研究Malygorzata LewandowskaSzumiel,1 Janusz Komender,1 Jan Chlyopek21華沙醫(yī)科大學，生物組織協(xié)會，器官移植部門，中央銀行組織，華沙，波蘭2礦冶學校，特種陶瓷部門，克拉科夫，波蘭1998.4.13投稿，1998.8.4錄入摘要：本文通過把合適的的碳纖維增強碳（CFRC）多孔植入物材料植入老鼠體內(nèi)的方式來評測其生物相容性。把六種不同連續(xù)孔隙大?。ù蠹s30µm）的碳纖維增強碳（CFRC）分別制成孔隙率為9,12,17%的2nm3基體結晶和孔隙率為6,12,20%的25nm3的基體結晶。在實驗鼠大腿

2、骨內(nèi)植入直徑為1.5 mm的橫向骨干釘，并在第5和45周，通過掃描電鏡和電子探針對移植物和骨組織樣品進行組織結構的檢測。同時也對淋巴結和脾臟等特定區(qū)域進行檢查。45周后，觀察樣品植入物與骨頭直接接觸點的表面，在植入物表面，部分CFRC已經(jīng)被宿主組織替代。然而，電子探針結果顯示植入物與骨頭接觸面之間的化學突變并沒有發(fā)生離子之間的交叉擴散。除了表面效應外，還觀察到有組織填充至植入物部分孔隙中，包括骨骼深處新生的組織。這就需要探針來進行組織結構上的觀察和確認。結果顯示，淋巴結和脾組織結構正常，沒有發(fā)現(xiàn)碳顆粒，在研究范圍內(nèi)，孔隙率和基體微晶尺寸對實驗結果并沒有影響。總之，當這些多孔的CFRC與骨頭接觸

3、時會部分降解，出現(xiàn)大幅度的組織生物相容性。他們可以應用于再生骨支架領域。© 1999 John Wiley & Sons, Inc. J Biomed Mater Res (Appl Biomater) 48: 289296, 1999關鍵詞：碳組織；碳纖維增強碳；骨內(nèi)植入引 言碳纖維增強碳復合材料(CFRCs)比較適合應用于整形手術中，因為他們的生物相容性和低剛性比較適合骨皮質。14已報道的碳復合材料種植體研究描述了一種含有碳纖維的聚合物基體材料。5-11在Christel等人的研究文章中提到，可把CFRC和CFR聚合物作為全髖關節(jié)置換與內(nèi)固定的候選生物材料。3然而，與近純

4、碳素材料相比，完全碳化材料的使用可以避免聚合物中降解產(chǎn)物的生成，但其生物相容性較差。因此，CFRC與骨組織間接觸行為的進一步研究調查顯得尤為重要。已有許多科研人員對多種形式的碳材料生物相容性進行了研究。1,12-16然而，目前還不清楚C/C復合材料在植入骨內(nèi)后會表現(xiàn)出惰性還是活性。我們之前的一項實驗中，曾把植入兔股骨3個月后的CFRC與骨交界面的剪切強度和羥基磷灰石和不銹鋼交界面相比較。17 CFRC的剪切強度高于不銹鋼，低于羥基磷灰石。實驗結果表明，CFRC種植體與宿主骨組織的一些直接鍵合反應出現(xiàn)在骨內(nèi)植入3個月左右。該反應隨著種植體抗壓強度的顯著降低越來越明顯，這說明種植體材料的結構已經(jīng)發(fā)

5、生變化。因此，我們的假設是CFRC在植入骨內(nèi)后并非呈現(xiàn)完全的惰性特征。本研究的目的是確定骨內(nèi)植入后的CFRC-骨交界面的性質。種植體孔隙率是影響骨整合的一個已知因素，因此，我們使用了不同開孔率的CFRC材料。測試了非晶和晶體基體復合材料對這種可能的生物活性種植體結晶度的潛在影響。材料及實驗方法種植體選用六種具有相似本體形態(tài)而結晶度和孔隙度不同的CFRC，并將試樣制備為1.6mm×5mm的圓柱桿。所有復合材料組成直徑為6mm的碳纖維在碳基體種植體長軸中平行排列。碳含量為99.9%，剩余的0.1%是由O、H、N構成。碳纖維是在波蘭克拉科夫的礦冶大學制備的。這些碳纖維都是從聚丙烯腈中獲得的

6、，并制成相同條件的種植體。相比之下，基體的微觀結構和孔隙率都在復合材料應用過程中發(fā)生顯著變化。前驅體的類型也會影響基體的結晶度。瀝青為前驅體的基體平均晶粒尺寸為25nm3，而酚醛樹脂為前驅體的基體平均晶粒尺寸為2nm3。此外，通過采用不同的制造工藝，已研制了三種不同孔隙率水平的碳基體材料。19-21Hence研究發(fā)現(xiàn)，以瀝青為前驅體的基體材料具有較大的晶粒尺寸，在該組中，種植體平均開孔率為6，12，20%。而以酚醛樹脂為前驅體的實驗組中，基體幾乎無定型并且晶粒尺寸較小，平均開孔率為9，12，17%。在動物實驗中，共植入了14個具有相同孔隙率和結晶度的材料。在孔隙率最低的組別（即孔隙率分別為6,

7、9%），種植體外部另外涂熱解炭。所有材料的平均孔徑（開孔）大約為30m。此外，在所用種植體表面，偶爾會出現(xiàn)平均粒徑60-220m的不連續(xù)基體。手術和實驗設計將CFRC橫向植入全身麻醉的大鼠股骨及皮層質骨骨干中，每個股骨都插入一個植入體。42只3月齡的Wistar 雄性大鼠分為三組進行實驗。每個實驗動物左、右股骨都分別植入了相似孔隙率不同結晶度的種植體。從每個結晶度實驗組中選取7個實驗動物在實驗5周后處死，45周后再選取7個實驗動物處死，并切除動物股骨植入?yún)^(qū)域和淋巴結和脾臟區(qū)域。把每個實驗階段的六個股骨用乙醇保存好，用X光片對植入位置進行記錄。將包含種植體的脫鈣股骨碎片在系列濃度的酒精溶液中脫水

8、，并嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中。將切除的器官在Bouin氏固定液中固定，進行常規(guī)組織學分析。此外，在切除股骨后，從結晶度和孔隙度實驗組中選取兩個樣品（分別為植入5周，45周）直接從骨中取出，測量它們的尺寸并與未植入的樣品作比較。之后，為掃描電子顯微鏡（SEM）觀察做準備。分析方法將嵌入PMMA的骨標本用碳化鎢顯微切片機平行于種植體軸線，垂直于骨髓腔切割，直到發(fā)現(xiàn)種植體全斷面，以便切割完全。在暴露的表面上真空涂覆碳膜，用X射線電子探針觀測植入物-組織接觸界面。電子探針分析的樣品制備方法將在很多文章中都有介紹。22本文使用了三種類型的X射線顯微分析法。第一，觀察C、Ca、P內(nèi)部結構和種植體

9、外表面組織結構。第二，同一元素的線性分析是在種植體-骨接觸界面進行的，且垂直于種植體長軸。第三，分別在距離骨-種植體接觸面5,15,500m處測量碳的特征X射線強度。當X射線微量分析完成的時候，使用金剛石切片機制備實驗其他部分的試樣。將所有不脫鈣骨切片用Goldner的改良三色法染色。將種植體在37下干燥后，進行掃描電鏡實驗。通過掃描電鏡觀察試樣，并與未植入動物體的試樣相比較，這些試樣表面有碳的覆蓋。結 果影響觀察在5周和45周后，種植體周圍的骨結構并未發(fā)生改變。觀察分析了樣品靠近種植體的骨皮質部分及骨髓腔內(nèi)的密集部分，與觀察時間和材料類型無關。也有人說，骨頭在植入種植體后已被立即切除。組織學

10、觀察五周后，在大多數(shù)情況下，所有樣本組的植入物周圍都有一層薄薄的疏松結締組織；圖1為中間組（即孔隙率為12%，高結晶度）的基體組織。種植體覆蓋部分附近的皮質部分和骨髓腔內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了再生骨組織。雖然沒有在整個界面觀察，在某些情況下，也記錄了種植體與骨之間的直接接觸，該發(fā)現(xiàn)與植入材料類型無關。無論如何都會產(chǎn)生炎癥反應，沒有顯著的淋巴細胞聚集現(xiàn)象，植入體周圍發(fā)現(xiàn)異質人體細胞。同時，種植體深層出現(xiàn)非鈣化組織。5周的實驗分析組都顯示了這一現(xiàn)象。植入45周后，注意到無論哪個樣本組中，種植體與骨整個交界面幾乎已經(jīng)直接接觸（以圖2為例），骨髓腔內(nèi)也是如此。圖2為12%的孔隙率和高結晶度實驗組的顯微結構照片。在植

11、入物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)充滿結締組織和骨的區(qū)域（未顯示）。這些區(qū)域內(nèi)骨與結締組織之間的骨樣表現(xiàn)的非常堅固。在一些區(qū)域內(nèi)這些結締組織單獨存在，其他的區(qū)域則完全填充如骨骼內(nèi)。在種植體內(nèi)部和外部分別觀察種植體與宿主組織表面，發(fā)現(xiàn)所有試驗組結果都很相似。5和45周后，在種植體附近組織發(fā)現(xiàn)小的碳顆粒（圖1，2）。這一發(fā)現(xiàn)不伴有炎癥產(chǎn)生。隨后，在組織學切片表面發(fā)現(xiàn)一些碳顆粒。因此，至少有一部分顆粒是在切削過程中產(chǎn)生的。淋巴結和脾臟區(qū)域組織學外觀正常，在淋巴結區(qū)域未發(fā)現(xiàn)碳顆粒。圖1 種植體-組織交界面植入5周后組織學圖片（Goldner的三色染色法）。向上的箭頭標明種植體-組織交界面，在向上的箭頭和向下的箭頭之間可見一

12、層薄薄的疏松結締組織（橙色）。組織中有一些小的碳顆粒，有一部分顆粒是在切削過程中產(chǎn)生的。向下的箭頭指示骨樣（暗紅色）。總之，可以很明顯的看到骨組織（綠色）。圖2 種植體-組織交界面植入45周后組織學圖片（Goldner的三色染色法）?？梢钥吹椒N植體（黑色）與骨（綠色）直接接觸，接觸面用箭頭標明。掃描電鏡觀察從骨內(nèi)取出的植入體尺寸與未植入的樣品尺寸沒有差異。然而，5周后從組織中取出的植入體中，部分基體消失。圖3（b）顯示了在植入物表面發(fā)現(xiàn)碳纖維可見的一個例子，而非植入樣品圖3(a)的纖維隱藏在基體中。非植入樣品和那些從骨中脫落樣品的表面只在表面涂覆熱解炭層的實驗組有輕微差異，而其他組別基本無差異

13、，發(fā)現(xiàn)許多碳纖維組織穿透的例子（圖4），纖維表面未發(fā)生改變。部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)組織與植入體表面粘連（圖5）。45周后從骨內(nèi)取出的種植體表面變化同5周后的種植體表面觀察結果相似。在種植體表面，部分復合基體由組織取代（圖5）。雖然在基體消失的區(qū)域觀察到一些斷裂纖維，但是碳纖維的表面似乎沒有變化。與植入5周時相比，除了觀察到不受組織影響的區(qū)域還可以觀察到較大區(qū)域內(nèi)發(fā)生變化。植入45周后，不僅種植體表面性質發(fā)生變化，它們的強度也發(fā)生變化。圖3 (a)種植體植入前表面SEM照片（最小樣品，孔隙率6%，晶粒大小2nm3），(b)同一類型樣品植入5周后取出的植入體表面。(a)未植入的樣品其表面復合物基體可見；(b

14、)相反，取出的植入體表面有裸露的纖維。CFRC植入5周后的SEM照片可代表實驗中所有的復合物類型。圖4 種植體植入5周后，表面可見碳纖維間的組織滲透（試樣類型同圖3）；這張SEM照片是所研究的CFRC復合材料中的典型案例。圖5 植入45周后取出的植入物表面（CFRC樣品為9%孔隙率，2nm3晶粒大小）。該SEM照片為所有CFRC材料典型代表。部分裸露的碳纖維被組織覆蓋，這種案例在所有實驗組中都有。電子探針測量通過電子探針技術對骨-種植體交界面進行線性分析，結果顯示C/C種植體和骨在植入5周，45周后均沒有發(fā)生離子交換（圖6）。在任何情況下，都未觀察到鈣、磷、碳在種植體-骨交界面擴散分布。在離骨

15、-種植體交界面5,15,500m的距離對骨進行碳特征X射線計數(shù)測量（采用Wilcoxon檢驗統(tǒng)計方法評價），結果并沒有明顯差異。然而，45周后取出的樣品，在種植體垂直于其長軸方向對鈣和碳進行線性分析，在種植體選取的地方有很高的鈣含量（圖7）。這些地方的X射線光譜與種植體周圍骨的光譜分析相一致。在種植體內(nèi)部產(chǎn)生鈣磷富集區(qū)確定了這些元素的成分構成（圖8）。雖然，每個種植體樣品內(nèi)骨填充的數(shù)量和區(qū)域大小不同，但是不同種植體種類之間并沒有明顯差異。圖6 通過電子探針技術（X特征射線強度）得到的骨-種植體交界面線性分析。在交界面，鈣（紅色曲線）和碳（黑色曲線）的變化很陡，CFRC植入材料與骨的傳遞擴散過程

16、中并未發(fā)生離子交換。該例與圖5的試樣來自同一個實驗組，對所有植入45周的種植體分析都得到類似的結果。圖7 種植體垂直于其長軸方向鈣（紅色曲線）和碳（黑色曲線）線性分析結果（X特征射線強度），種植體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)高含鈣區(qū)域。該例與圖5的試樣來自同一個實驗組，對所有植入45周的種植體分析都得到類似的結果。圖8 (a)通過電子探針穿過骨和種植體內(nèi)部獲得鈣含量分布圖。(b)在圖中央可見植入物，白色點代表鈣含量豐富區(qū)域，如文中所描述。鈣富集區(qū)域可視為骨干和植入體內(nèi)部礦化組織的代表。該例與圖5的試樣來自同一個實驗組，對所有植入45周的種植體分析都得到類似的結果。討 論結果表明，在本實驗條件下，所用材料具有生物相

17、容性。任何分析過程中都沒有發(fā)現(xiàn)炎癥。植入物-組織交界面的組織學觀察顯示組織的再生能力與種植體有直接的關系。任何情況都沒有封裝的出現(xiàn)，相反，植入物周圍骨組織的存在早在第五周就被證實了。對45周的植入物進行分析，植入物周圍的骨組織已經(jīng)十分有組織性。此外，結締組織能夠穿透碳復合材料；通過組織學觀察和X射線顯微分析證實，骨組織是從這種區(qū)域開始生長的。對植入物表面進行掃描電鏡觀察顯示，種植體內(nèi)部的骨構成過程可能為，首先是組織填充內(nèi)部初始孔隙，其次是部分組織替代基體。基體置換需要與先前報道的細胞（小鼠成纖維細胞和巨噬細胞）的能力相符合，以便在CFRC種植體內(nèi)部擴展新空間。23基于體外觀察，可以認為，至少從

18、局部來看，CFRC植入后其基體的降解是一個細胞介導過程。按照歐洲社會共識會議對生物材料的定義，將“一種材料通過特定的生物活性作用而逐步分解”定義為“生物降解”。24從這方面講，在所有分析樣品中都出現(xiàn)的基體置換現(xiàn)象可被列為CFRC植入體的生物降解行為。通過掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)所有試驗組中碳纖維的表面都保持不變，因此，CFRC植入體中基體的生物降解性是有限的?；w分解和組織滲透的結果就是，纖維不能支持和承受更高的壓力，這導致了某些情況下纖維斷裂的產(chǎn)生。因為植入物的尺寸保持不變，所以其降解程度還無法確定，也沒有觀察到碳種植體和骨之間的離子交換。因此，種植體與骨之間似乎并沒有發(fā)生化學鍵合。然而，根據(jù)我們的

19、其他實驗結果，已在推出實驗17中證實CFRC種植體與骨之間存在其他結合方式。種植體的抗壓強度隨之顯著下降，可以猜想種植體內(nèi)部結構已發(fā)生改變。本研究的結果證實了這一猜想。通過組織學觀察和電子探針分析證實，組織滲透入種植體內(nèi)部隨后有新生骨組織生成。因此，宿主組織滲透入CFRC種植體內(nèi)更大程度的將種植體固定在骨周圍。為了描述CFRC植入物與宿主組織之間的相互作用，必須討論種植體周圍存在的部分碳顆粒，忽略組織切片時產(chǎn)生的碳顆粒。因為骨與植入物的摩擦作用和CFRC的相對脆性，種植體附近的積碳也可能是表面碳顆粒在植入過程中分離造成的。雖然很多學者15,16,25已經(jīng)報道過宿主組織與碳碎片間的劇烈反應，以及

20、碳種植體釋放的碳粒子周圍異質人體細胞的存在，但我們的實驗證實聚集態(tài)和粒狀碳種植體材料都具有生物相容性。觀察是否有炎癥反應，并不是觀察植入部位是不是有游離的碳粒子存在。這一觀察與一些其他研究1,3,13結果相一致，宿主組織對碳顆粒有很好的容忍性。一些作者報道在淋巴結或其他實質器官中發(fā)現(xiàn)了碳粒子的存在。3,26,27我們的實驗中并未證實這一結論。不足7m的碳顆?？梢员谎簲y帶沿淋巴管分散，28而我們未在淋巴結中觀察到碳顆粒，可能是由于釋放的碳顆粒太大不能通過淋巴管的運輸通道。與脾臟和淋巴結的觀察結果一致，CFRC植入后并沒有對生物產(chǎn)生系統(tǒng)的影響。在本實驗條件下，進一步證明了該材料的生物相容性。應該

21、強調的是，所有表征組織對CFRC植入反應的現(xiàn)象在所有實驗組中都發(fā)生了，與材料的結晶度和孔隙度無關。最后，骨內(nèi)植入后CFRC植入體的重塑結果是，一種包含碳纖維，基體碳，骨組織的新型復合材料在種植體內(nèi)部從新生成。結 論CFRC并非完全的生物惰性材料。然而，研究并未發(fā)現(xiàn)其與宿體組織發(fā)生離子交換。我們并不清楚復合材料中的基體以何種方式被組織替換，可能是復合材料基體局部降解的結果。本實驗在特定條件下證實了CFRC種植體的生物相容性，這是通過宿主組織對種植體內(nèi)部的部分填充來表現(xiàn)的。通過與CFRC種植體內(nèi)部和外部直接接觸重新生成骨組織。本實驗選用了不同結晶度和孔隙率的種植體，均為對實驗現(xiàn)象產(chǎn)生影響。研讀了歐

22、洲針對實驗動物的保護公約和其他科學文獻。作者感謝教授美國丹尼爾斯對他的建議和幫助。參考文獻1. Adams D, Williams DF, Hill J. Carbon fiber-reinforced carbon as a potential implant material. J Biomed Mater Res 1978;12:3542.2. Christel P, Meunier A, Dorlot JM, et al. Biomechanical compatibility and design of ceramic implants for orthopedic surgery.

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