具有促成骨活性的PLGATCPMg復合多孔支架修復骨缺損研究

1、具有促成骨活性的PLGA/TCP/Mg復合多孔支架修復骨缺損研究 激素性骨壞死是臨床上為治療某些免疫性疾病(如嚴重急性呼吸系統(tǒng)綜合癥、獲得性免疫缺陷綜合征)或搶救生命的需要長期大量使用激素而引起的常見骨科疾病。近年來,激素性骨壞死的發(fā)病率呈逐年上升趨勢,是非創(chuàng)傷性骨壞死的首位。 在臨床上,髓芯減壓術(shù)是早期干預及治療激素性骨壞死的重要措施,該手術(shù)可減小壞死區(qū)骨內(nèi)壓力,使壞死區(qū)重新獲得血供,從而促進骨修復。髓芯減壓術(shù)后如何填充遺留的骨缺損,增加手術(shù)部位力學強度,防止骨塌陷的發(fā)生,是治療的關(guān)鍵。 自體骨填充骨缺損是骨移植的金標準,但供體不足、二次損傷、并發(fā)癥的出現(xiàn)以及免疫排斥等問題制約著其在臨床的應

2、用。近年來,隨著各學科的發(fā)展,組織工程支架材料性能的研究得以不斷地深入,利用組織工程支架材料修復骨缺損成為研究的熱點。 組織工程學是結(jié)合細胞生物學和材料工程學構(gòu)建損傷組織或器官的功能性替代物的學科。良好的骨組織工程支架材料應具備以下特性:(1)能滿足細胞遷移、增殖、代謝及血管的長入的三維多孔結(jié)構(gòu);(2)良好的生物相容性且降解產(chǎn)物無毒、不致畸;(3)與骨生長速度相匹配的降解速度;(4)與骨組織相匹配的力學性能;(5)良好的促成骨性和骨誘導性;(6)適合細胞附著、增殖和分化的材料-細胞界面。 目前研究的骨組織工程支架材料包括無機材料、天然高分子材料、合成高分子材料及復合材料等幾大類。其中復合材料是

3、將兩種或兩種以上材料按一定比例優(yōu)化組合,制備出集合多種材料優(yōu)點的材料。 聚羥基乙酸-羥基丙酸共聚物(PLGA)具有良好的生物相容性、可塑性高,是經(jīng)批準的用于人體的生物醫(yī)用材料。其缺點在于細胞黏(FDA)美國食品藥品管理局附性能差、力學強度低、酸性降解產(chǎn)物造成局部細胞炎癥。 -磷酸三鈣(-TCP)在具有良好的生物相容性,促成骨作用明顯,但其脆性大,柔韌性不夠,降解性能不易調(diào)節(jié)。鎂(Mg)金屬具有良好的生物相容性、可降解、抗菌作用強,其力學強度與骨組織相匹配,具有良好的促成骨及促血管生長特性,其缺點在于降解速度過快,降解形成的堿性環(huán)境不利于細胞的生長。 PLGA/TCP/Mg復合材料則可以避免上述

4、材料單獨使用時的缺陷,PLGA/TCP/Mg復合多孔支架具有良好的骨傳導性、優(yōu)良的生物相容性、以及與松質(zhì)骨相似的力學強度,TCP與Mg降解形成的堿性環(huán)境可有效中和PLGA降解導致的酸性產(chǎn)物,此外,PLGA/TCP/Mg復合多孔支架來源廣泛、成份簡單、成本低,具有廣闊的臨床應用前景。本研究利用近幾年新開發(fā)的低溫沉積(Low-temperature deposition manufacturing,LDM)快速成型技術(shù)制備PLGA/TCP/Mg復合多孔支架材料,該方法可精確控制支架內(nèi)/外部結(jié)構(gòu),其低溫加工環(huán)境有利于生物活性因子的引入并實現(xiàn)其在多孔支架內(nèi)部分散均勻且濃度分布均一,該方法進一步拓寬了生

5、物材料的選擇范圍。 本論文分為以下三個主要部分:第一部分:PLGA/TCP/Mg復合多孔支架的制備及其理化性能的表征。我們利用新開發(fā)的低溫沉積(Low-temperature deposition manufacturing,LDM)快速成型技術(shù)制備出了可精確控制孔隙率、孔尺寸、孔分布的PLGA/TCP/Mg復合多孔支架,其孔隙率(80%)、孔徑(300-500微米)、孔連通性(100%)、力學強度(彈性模量114MPa,壓縮強度3.2MPa)等結(jié)構(gòu)功能參數(shù)滿足骨組織工程材料的結(jié)構(gòu)需求。 此外,研究表明支架鎂含量為15%的PLGA/TCP/Mg復合多孔支架的力學強度接近。第二4-12MPa)壓

6、縮強度20-500 MPa,彈性模量(與天然松質(zhì)骨的力學性能部分:PLGA/TCP/Mg復合多孔支架的體外生物安全性評價。 我們研究了鎂離子濃度對鼠前成骨細胞系(MC3T3-E1)的細胞毒性耐受范圍,結(jié)果表明鎂離子濃度為800ppm是對MC3T3-E1細胞造成毒性的臨界值。隨后我們按照國際標準ISO 10993-5,按照參考文獻對稀釋一定倍數(shù)的PLGA/TCP/Mg復合多孔支架浸提液進行體外細胞毒性檢測,研究表明,將1h至7天的支架的浸提液稀釋十倍后對MC3T3-E1細胞毒性評級為0-1級,評價結(jié)果為安全合格。 第三部分:PLGA/TCP/Mg復合多孔支架修復家兔激素性骨壞死模型髓芯減壓后骨缺

7、損。我們利用家兔股骨遠端激素性骨壞死模型為動物模型觀察,采用計算機斷層掃描(Micro-CT)、組織切片、生物力學測試等方法檢測PLGA/TCP/Mg復合多孔支架體內(nèi)修復骨缺損的效果,并利用動態(tài)灌注磁共振成像(MRI)、離體新生血管評價等方法檢測PLGA/TCP/Mg復合多孔支架體內(nèi)促進血管生成的效果。 Micro-CT結(jié)果顯示在支架植入兔股骨遠端12周后含鎂支架組(PTM)骨缺損部位與新生骨量正相關(guān)的骨組織參數(shù)(BV/TV,Tb.N,Conn.Dn)顯著大于對照組(p0.05,n=8),與新生骨量負相關(guān)的骨組織參數(shù)(Tb.Sp)顯著低于對照組(P0.001);MRI數(shù)據(jù)顯示,在骨缺損部位含鎂支架組血液灌流量顯著大于PLGA/TCP復合多孔支架組及對照組(p0.05,n=3),新生血管數(shù)量及體積高于對照組。這些結(jié)果表明PLGA/TCP/Mg復合多孔支架能促進骨缺損區(qū)域新生骨的生成及血液的供應。 此外,含鎂支架PLGA/TCP/Mg植入兔體內(nèi)后未引起鎂離子的上升,肝腎功能指標正常,該結(jié)果表明含鎂支架植入體內(nèi)安全無毒害。綜上所述,本研究利用低溫沉積快速成型技術(shù)制備出的PLGA/TCP/Mg復合多孔支架材料理化性能滿足骨組體內(nèi)實驗表明其促血管生,體內(nèi)外安全性評價