顺磁性纳米纤维复合材料诱导骨缺损修复的动物实验研究

论文摘要

创伤、感染、肿瘤、和先天畸形等多种原因会造成人体骨组织缺损,同时由于骨组织自我修复能力有限,使得人工骨修复材料的研发与应用尤为重要。目前常用的骨修复材料主要包括自体骨、异体/异种骨、生物活性陶瓷、高分子材料等,但各自仍有不足之处。为了更好地模仿细胞外基质的微观结构,使材料具有更好的骨传导性及骨诱导性,本课题利用高压静电纺丝技术制备了由消旋聚乳酸（PDLLA）、羟基磷灰石纳米颗粒（nHA）和氧化铁顺磁性纳米颗粒（y-Fe2O3-NP）组成的具有多孔结构的顺磁性纳米纤维复合材料支架。在材料中,聚乳酸作为聚合物基体材料为支架提供了力学强度和良好的生物相容性,羟基磷灰石纳米颗粒赋予了材料骨传导性,氧化铁顺磁性纳米颗粒使材料具有顺磁性。本课题重点研究和比较了在有、无外加磁场条件下,顺磁性纳米纤维复合材料在动物体内横突骨组织缺损的再生与修复过程中的作用。主要研究内容包括以下方面：（1）材料的顺磁性和外加磁场对骨组织再生与修复的促进作用研究通过对材料植入后早期的病理学及影像学观察,研究顺磁性纳米纤维复合材料在外加磁场条件下对骨组织再生与修复的促进过程：通过材料植入后的长期影像学观察,研究顺磁性纳米纤维复合材料在外加磁场条件下对骨组织再生与修复的促进过程及磁场的影响,并与自体骨移植组和单纯骨缺损组对比。（2）材料的生物相容性评价通过对材料植入后实验动物一般情况的观察、体重变化、血清总蛋白水平、血清谷丙转氨酶（ALT）水平、血清γ谷氨酰转肽酶（GGT）水平、血清肌酐（Cr）水平、肝脏及肾脏的病理学观察,检测材料植入后的全身反应；通过对材料植入后局部骨组织的大体观察评价材料植入后的组织反应。取得的主要研究结果如下：（1）随着植入时间的延长,大量细胞长入支架并将材料分割包裹,形成单核巨噬细胞增生构成的境界清楚的炎症反应。在材料被单核细胞吞噬降解的同时,可以发现具有分泌功能的成骨细胞增殖并聚集在材料周围,分泌并合成骨基质。（2）对比磁场环境下和无磁场环境下骨缺损部位的病理结果,可以发现磁场环境下的材料内部具有更多骨基质及新生血管的形成。材料植入后最终形成的横突骨组织与正常横突相比具有较好的形态,新形成骨组织的皮质厚度大于自体骨移植组,同时,在磁场环境下材料植入后骨组织表现出更快的骨重建过程。（3）材料植入后实验动物营养水平及体重均正常。血清谷丙转氨酶水平、血清γ谷氨酰转肽酶水平及血清肌酐水平均正常,肾脏及肝脏病理未见异常。材料植入后的骨组织大体观察,早期可看到材料表面少量的纤维组织包裹,最终形成的新骨组织形态正常。没有得到材料植入后导致严重组织排异或材料具有生物毒性而导致脏器受损的证据。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 引言
• 2 骨的组成和生理
• 2.1 骨骼细胞
• 2.2 骨基质
• 2.3 骨形成
• 2.3.1 发育过程中的骨形成
• 2.3.2 骨损伤的修复过程
• 3 磁性纳米粒子及其应用
• 3.1 磁性纳米粒子在细胞水平的应用
• 3.2 磁性纳米粒子在分子影像的应用
• 3.3 磁性纳米粒子在肿瘤治疗方面的应用
• 3.4 磁性纳米粒子的生物相容性及在磁场环境下对细胞的影响
• 4 高压静电纺丝技术
• 4.1 高压静电纺丝技术的基本原理
• 4.2 影响纺丝结果的主要因素
• 4.2.1 溶液的物理性质
• 4.2.2 电压的强度
• 4.2.3 收集屏的结构
• 4.2.4 收集屏的导电性
• 4.2.5 电纺丝喷射管
• 5 骨组织工程支架及相关生物材料
• 5.1 陶瓷类材料
• 5.2 天然高分子材料
• 5.3 人工合成高分子材料
• 5.4 新材料研究进展
• 6 本论文的研究思路
• 第二章 材料和实验方法
• 1 原料和试剂
• 2 主要仪器设备及手术用器械
• 3 手术用器械
• 4 实验动物
• 5 顺磁性纳米纤维复合材料的制备方法
• 6 动物实验方法
• 6.1 植入材料准备
• 6.2 实验分组
• 6.3 术前准备及麻醉
• 6.4 骨缺损和自体骨移植手术
• 7 材料和磁场刺激诱导新骨形成作用的评价
• 8 材料生物相容性的评价
• 8.1 组织反应的评价
• 8.2 全身反应的评价
• 第三章 结果和讨论
• 第一节 顺磁性纳米纤维复合材料的结构和性能表征
• 1 材料的微观形貌及结构表征
• 2 材料的磁学性质
• 3 材料的加工成型
• 第二节 顺磁性纳米纤维复合材料植入30天内病理学及影像学观察
• 1 影像学观察
• 2 病理学观察
• 3 外加磁场对骨修复的作用
• 3.1 磁场环境对骨基质形成影响的评价
• 3.2 磁场环境对新生血管形成的影响
• 4 材料植入与自体骨移植促进骨组织修复方式的对比
• 4.1 影像学观察
• 4.2 病理学观察
• 第三节 骨缺损部位植入顺磁性纳米纤维复合材料后长期影像学观察
• 1 骨缺损部位材料植入后50、90及110天影像学观察结果
• 2 顺磁性纳米纤维复合材料植入后110天MicroCT成像及病理学观察
• 3 横突部分离断骨缺损材料植入后110天扫描电镜下观察结果
• 4 材料植入后110天与正常横突骨组织影像学对比
• 5 骨缺损材料植入组与单纯骨缺损组的影像学比较
• 第四节 顺磁性纳米纤维复合材料的生物相容性评价
• 1 生物相容性评价的基本概念
• 2 铁元素的代谢
• 3 肾小球疾病分类及病因
• 4 材料的生物相容性评价结果
• 4.1 组织反应评价
• 4.2 全身反应评价
• 4.2.1 材料植入组实验动物术后一般情况的观察结果
• 4.2.2 骨缺损材料植入组及自体骨移植手术组的体重变化
• 4.2.3 材料植入后营养水平的评价结果
• 4.2.4 材料植入后肝功能及肾功能的评价结果
• 4.2.5 材料植入后肝脏及肾脏病理评价结果
• 4.2.5.1 肾脏病理评价结果
• 4.2.5.2 肝脏病理评价结果
• 4.3 小结
• 第五章 结论
• 展望
• 主要参考文献
• 附录 非论文综述
• 致谢