新型nanoHA涂层BCP人工骨的制备及在兔脊柱融合模型中的应用

论文摘要

由各种原因导致的大量骨缺损都需要进行骨修复。在美国每年进行骨组织修复手术有50万台次,脊柱融合手术超过30万台次。自体骨被认为是骨移植的金标准,但高达30%的供区相关并发症以及骨量不足限制了其应用。人工合成材料被认为是最有前途的骨移植替代材料,羟基磷灰石(（Hydroxyapatite, HA）和双相磷酸钙（Biphasic Calcium Phosphate, BCP）具有良好的生物相容性和生物活性,已被广泛用于临床和科研中进行骨修复和脊柱融合。其中,BCP具有更高的生物活性、生物相容性和适中的生物降解性,有利于促进新生骨生成和骨整合。与普通HA相比,纳米级HA （nano-Hydroxyapatite, nanoHA）有更优异的生物活性,有利于细胞黏附和成骨分化,促进骨长入和骨整合。体外和体内实验证明电磁场能够促进细胞成骨分化,增殖,加快新骨形成,与人工骨联合应用,能够改善人工骨的生物相容性。组合磁场（Combined Magnetic Fields, CMF）用于临床治疗骨折、骨不连和延迟愈合已有10余年,也被用于提高脊柱融合率。由于BCP比单纯HA有更好的生物活性和降解性,而nanoHA有更高的生物活性和生物相容性。我们设想在多孔BCP人工骨表面和孔壁上进行nanoHA涂层能够提高多孔BCP人工骨的生物活性和生物相容性；并将此新型材料用于兔脊柱后外侧融合模型,再联合CMF辅助治疗以进一步提高此新型材料的脊柱融合效果。基于以上设想,本课题按下述两部分进行研究。第一部分新型nanoHA涂层多孔BCP人工骨的制备研究目的：制备一种新型nanoHA涂层多孔BCP人工骨（nanoHA coating porous BCP artificial bone, nanoHA/BCP）。研究方法：采用水热化学沉积法（简称水热法）、仿生矿化法和超声辐射（40KHz）下仿生矿化法进行多孔BCP人工骨的HA涂层实验。排水法测量多孔人工骨孔隙率、吸水率和密度。X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）进行物相分析、场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscope, FESEM）观察形貌表征、生物力学检测人工骨的力学性能。结果：（1）水热法涂层对多孔BCP人工骨的孔隙率和吸水率及密度没有显著影响。水热法在玻璃相多孔BCP人工骨形成的涂层为短棒状纳米级HA晶体,平均直径58.3nm,长度在100-400nm之间。在晶体相多孔BCP人工骨的涂层为微米级HA六方晶体,横径平均长为434.8nm,长度在1000-3000nm之间。水热法涂层轻度改善玻璃相多孔BCP人工骨杨氏弹性模量、最大弯曲载荷和压缩强度（P>0.05）,显著改善晶相多孔BCP人工骨的力学性能（P<0.05）,但玻璃相多孔BCP人工骨的力学性能显著好于晶相多孔BCP人工骨（P<0.05）。（2）多孔BCP人工骨浸入模拟体液（Simulated Body Fluid, SBF）后形成微米级花簇样HA晶体,平均横径为142.2nm,长度在2μm以上,HA形成量具有时间依赖性；40KHz超声辐射对仿生矿化法制备多孔BCP人工骨的HA涂层形成不产生显著影响（P>0.05）。结论：（1）采用水热法能够制备nanoHA涂层多孔BCP（玻璃相）人工骨,并可改善其力学性能；（2）采用水热法能够制备微米级HA涂层多孔BCP（晶相）人工骨,并可显著改善其力学性能；（3）仿生矿化法能够在BCP人工骨表面形成微米级HA涂层,但40KHz超声辐射不能提高多孔BCP人工骨表面HA沉积；（4）纳米HA涂层的玻璃相多孔BCP人工骨力学性能更佳,接近于天然骨强度,可作为骨组织工程用骨移植材料。第二部分nanoHA/BCP移植联合CMF辅助治疗对兔PLF影响的实验研究研究目的：观察nanoHA涂层是否能够提高多孔BCP人工骨进行兔腰椎后外侧融合（Posterolateral Lumbar Fusion, PLF）的融合率,观察CMF辅助治疗联合nanoHA/BCP进行脊柱融合的效果,探讨CMF和nanoHA涂层在脊柱融合中作用机制和原理,为以后的临床应用提供科学依据。研究方法：采用家兔制作双侧L5/6横突间融合模型,根据CMF治疗和骨移植材料种类把48只成年兔随机分成6组（CMF治疗组：G1组：CMF+自体髂骨；G2组：CMF+nanoHA/BCP;G3组：CMF+BCP;CMF治疗对照组：G4组：安慰剂+自体髂骨；G5组：安慰剂+nanoHA/BCP;G6组：安慰剂+BCP）。术后1周开始CMF治疗,每天30分钟。CMF治疗8周后安乐死处死实验动物,进行以下检测评估：（1）触摸法评估脊柱融合率；（2）X-ray评估脊柱融合、计算融合区校正光密度指数；（3）CT扫描观察融合情况和植入物形态变化；（4）FESEM观察人工骨自体骨融合界面,人工骨内部孔隙新生骨形态、矿化率,植入物形态变化；（5）三点弯曲实验检测脊柱融合节段的弯曲刚度、最大应力和最大弯曲载荷；（6）组织学分别进行脱钙和不脱钙标本观察分析评估融合情况,计算融合率,人工骨残留率和新生骨长入比。免疫组化分析融合区BMP-2和TGF-β1的表达；（7）XRD物相分析植入体内9周后人工骨物相变化。结果：（1）触摸法、X-ray法和组织学评估G2组脊柱融合率最高,G6组最低,两者相比有统计学差别（P<0.05）。析因分析结果显示CMF和nanoHA涂层都显著提高脊柱融合率（P<0.05）。（2）X线片显示融合区校正光密度指数G2组显著高于其他各组（P<0.05）,析因分析显示CMF和nanoHA涂层显著提高融合区校正光密度指数（P<0.05）。（3）CT、FESEM和组织学显示新上骨在横突间形成连续骨桥连接,在人工骨周围形成新生骨痂包裹,可见到新生骨小梁从自体骨长入人工骨孔隙内,与自体骨形成骨性结合。（4）FESEM显示G2组人工骨与自体骨结合更紧密,人工骨与自体骨间隙显著小于其G6组（P<0.05）。人工骨孔内矿化率以G2最高,与G6相比有统计学意义（P<0.05）, nanoHA涂层显著提高孔内组织矿化率。（5）组织学显示G2组人工骨孔内新生骨多于其他组,以新生骨为主,纤维组织含量较少。相对来说,G6组人工骨内新生骨含量最少。G2组新生骨长入比显著高于G3、G5组和G6组（P<0.05）,G6组显著低于G4和G5组（P=0.039,P=0.052）。析因分析结果显示CMF治疗提高人工骨骨长入比10.31%（P<0.05）,nanoHA涂层能显著提高9.87%（P=0.001）。G2组融合评分显著高于G3、G4和G6组（P<0.05）,G1组显著高于G6组（P<0.05）,余各组之间比较没有统计学差别。析因分析结果显示CMF和nanoHA涂层显著提高融合评分（P<0.05）。免疫组化结果显示CMF显著提高融合区BMP-2和TGF-β1的表达（P<0.05）,nanoHA涂层对其表达不产生显著影响（P>0.05）。不脱钙组织切片计算人工骨残留率结果显示G2、G5组低于G3和G6组,析因分析结果发现CMF对于人工骨残留率不产生明显影响,nanoHA涂层降低人工骨残留率12.36%（P<0.05）。（6）生物力学结果显示G2组脊柱弯曲刚度最高,显著高于其他各组（P<0.05）。G5组显著高于G4和G6组（P<0.05）,G1组显著高于G4组（P<0.05）。析因分析显示CMF显著提高脊柱融合的弯曲刚度20.41N/mm （P<0.05）,植入物因素也能显著提高脊柱融合弯曲刚度达23.85N/mm （P<0.05）。（7）XRD结果显示人工骨植入后结晶度下降,nanoHA/BCP中HA比例下降,BCP人工骨HA比例增加。结论：（1）多孔nanoHA/BCP人工骨具有良好的生物活性、生物相容性和和降解性,可作为一个有前途的脊柱融合骨移植替代材料。（2）CMF和nanoHA涂层都能够显著促进脊柱融合和提高融合效果,CMF治疗改善了人工骨的生物活性和生物相容性。（3）CMF治疗联合nanoHA/BCP进行兔脊柱后外侧融合能够显著提高融合率,融合效果好于单纯的自体骨融合,可作为脊柱融合的一种新方式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 英文缩写一览表
• 第一部分 nanoHA涂层多孔BCP人工骨的制备
• 第一章 前言
• 第二章
• 2.2
• 2.3 主要实验仪器
• 2.4 本文采用的测试方法
• 2.4.1 人工骨的孔隙度、密度及吸水率表征
• 2.4.2 物相分析
• 2.4.3 形貌表征
• 2.4.4 力学测试
• 2.4.5 统计学分析
• 第三章 水热法制备2种物相纳米HA涂层多孔BCP人工骨
• 3.1 实验步骤
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 基本物理性状
• 3.2.2 XRD物相定量分析
• 3.2.3 形貌表征
• 3.2.4 HA涂层多孔BCP人工骨力学测试
• 3.3 本章小结
• 第四章 仿生矿化法制备纳米HA涂层多孔BCP人工骨
• 4.1 实验步骤
• 4.1.1 仿生矿化法制备多孔BCP人工骨HA涂层
• 4.1.2 超声辐射仿生矿化法制备多孔BCP人工骨HA涂层
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 XRD
• 4.2.2 FESEM扫描结果
• 4.3 本章小结
• 第二部分 nanoHA/BCP移植联合CMF辅助治疗对兔PLF影响的实验研究
• 第一章 前言
• 第二章 材料与方法
• 2.1 实验动物
• 2.2 实验材料及主要试剂
• 2.3 实验用主要仪器
• 2.3.1 组合磁场治疗仪
• 2.3.2 组织学仪器
• 2.3.3 其他仪器
• 2.4 实验设计
• 2.4.1 样本量估计
• 2.4.2 试验分组
• 2.5 动物模型建立
• 2.5.1 术前处理
• 2.5.2 手术过程
• 2.5.3 术后动物处理
• 2.6 CMF治疗仪治疗
• 2.7 标本采集
• 2.8 脊柱融合评估方法
• 2.8.1 大体观察及触摸法
• 2.8.2 X-ray检测
• 2.8.3 双源CT扫描
• 2.8.4 生物力学测试
• 2.8.5 组织学分析
• 2.8.6 FESEM扫描
• 2.9 物相分析
• 2.10 统计学分析
• 第三章 结果
• 3.1 实验动物一般情况
• 3.2 大体观察及触摸法融合评估结果
• 3.3 X-ray片结果
• 3.3.1 X-ray融合评价
• 3.3.2 融合区校正光密度指数
• 3.4 CT分析结果
• 3.5 生物力学结果
• 3.6 组织学分析结果
• 3.6.1 脊柱融合评价结果
• 3.6.2 融合界面骨整合、人工骨孔隙内成骨分析结果
• 3.6.3 人工骨孔隙内骨长入比
• 3.6.4 人工骨残留率
• 3.6.5 免疫组化
• 3.7 FESEM扫描结果
• 3.8 XRD分析
• 第四章 讨论
• 4.1 动物模型的选择
• 4.2 nanoHA涂层对多孔BCP人工骨在兔PLF的影响
• 4.2.1 HA和BCP陶瓷在骨组织工程中应用
• 4.2.2 nanoHA研究进展
• 4.2.3 nanoHA涂层对脊柱融合的影响
• 4.2.4 nanoHA涂层对人工骨降解的影响
• 4.3 CMF+nanoHA/BCP在兔PLF中的作用
• 4.3.1 电磁场体外成骨生物学效应
• 4.3.2 EMFs体内成骨的生物学效应
• 4.3.3 CMF+nanoHA涂层对BCP兔PLF模型一般情况的影响
• 4.3.4 CMF+nanoHA涂层对脊柱融合人工骨骨整合的影响
• 4.3.5 CMF+nanoHA涂层对融合的生物力学的影响
• 4.3.6 CMF+nanoHA涂层对脊柱融合区成骨的影响
• 4.3.7 CMF+nanoHA涂层对融合区BMP-2和TGF-β1表达的影响
• 4.4 研究意义及展望
• 第五章 结论
• 参考文献
• 综述一
• 参考文献
• 综述二
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果