生物玻璃羥基磷灰石復(fù)合涂層促進(jìn)骨生長(zhǎng)的初步研究

生物玻璃羥基磷灰石復(fù)合涂層促進(jìn)骨生長(zhǎng)的初步研究

1生物玻璃/羥基磷灰石復(fù)合涂層用陽(yáng)離子石蠟膏治療核電站的人工關(guān)節(jié)體已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間。結(jié)果表明，該涂層可以改善鈦合金體的生物特性，促進(jìn)體與骨的結(jié)合。但等離子噴涂導(dǎo)致的羥基磷灰石分解和涂層結(jié)合強(qiáng)度不高限制了植入體在體內(nèi)的使用壽命,使目前假體的使用壽命一般在15年左右。前面研究顯示,采用熱膨脹系數(shù)與鈦合金接近的生物玻璃作為過渡層,在低溫?zé)Y(jié)條件下制備的生物玻璃/羥基磷灰石復(fù)合涂層可改善涂層與鈦合金的結(jié)合,提高結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí),低溫?zé)Y(jié)不會(huì)導(dǎo)致羥基磷灰石的分解、生物玻璃的析晶和鈦合金金相結(jié)構(gòu)的變化。體外實(shí)驗(yàn)證明該涂層良好的生物活性和細(xì)胞相容性。涂層的最終目的是在體內(nèi)促進(jìn)植入鈦合金與骨的結(jié)合,提高其生物固定性能。在本實(shí)驗(yàn)中,研究了該生物玻璃/羥基磷灰石涂層在兔子體內(nèi)與骨之間的結(jié)合與生物反應(yīng),為涂層的臨床應(yīng)用做好前期準(zhǔn)備。2材料和方法2.1生物玻璃/羥基磷灰石復(fù)合涂層的制備如圖1所示的鈦合金(Ti6Al4V)表面經(jīng)過噴砂粗化處理后清洗干凈。Ca-Si-B-P基生物玻璃粉體與羥基磷灰石粉體按0∶10、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5的比例混合,依次噴涂于鈦合金表面,燒結(jié)制得生物玻璃/羥基磷灰石梯度復(fù)合涂層樣品備動(dòng)物實(shí)驗(yàn)使用。2.2羥基磷灰石/鈦合金復(fù)合涂層的制備選用新西蘭雄兔,體重約2Kg,消毒后麻醉,在其股骨位切口,采用3mm的不銹鋼鉆在股骨近關(guān)節(jié)處鉆孔,然后把涂好的樣品植入,采用等離子噴涂羥基磷灰石涂層的鈦合金樣品和無(wú)涂層的鈦合金樣品作為對(duì)照,每組采用6個(gè)試樣,術(shù)后縫合,然后飼養(yǎng)2,4,12,24周。2.3連續(xù)注射3天麻醉清醒后不限制活動(dòng),手術(shù)后每日一次肌肉注射40萬(wàn)單位青霉素和4萬(wàn)單位慶大霉素,連續(xù)注射3天。術(shù)后2周和12周進(jìn)行X-射線檢查,觀察植入體位置、穩(wěn)定性及周圍骨生長(zhǎng)情況。2.4樣品的制備和清洗飼養(yǎng)到期的兔子被處死,取出帶植入體的股骨,在中性甲醛溶液(4%)中固定4天,然后沖洗干凈。采用80%,85%,90%,95%和100%的乙醇梯度脫水,最后在甲苯中浸泡4小時(shí)。處理好的樣品采用聚甲基丙烯酸甲酯進(jìn)行包埋,固化后進(jìn)行切片。切片方向沿垂直于植入體軸向方向,切片厚度約為100m,打磨成60m的薄片后進(jìn)行表面拋光,超聲清洗。處理好的切片采用苦味酸-品紅溶液染色,在光學(xué)顯微鏡下觀察界面愈合、骨沉積及界面骨整合情況。2.5掃描電子觀察切片經(jīng)乙醇梯度脫水后,最后采用醋酸異戊酯置換,在臨界點(diǎn)干燥。處理好的切片采用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察。2.6骨接觸率和骨組織形態(tài)的測(cè)量每個(gè)樣品取3個(gè)切片,采用Bioquant軟件對(duì)組織進(jìn)行形態(tài)計(jì)量。計(jì)算骨接觸率和凹槽內(nèi)骨長(zhǎng)入量,計(jì)算公式如下:2.7統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果中的數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)平均值,<0.05為具有顯著差異。3試驗(yàn)結(jié)果3.1涂層與骨的感染從圖2的X-射線圖中可以看出,生物玻璃/羥基磷灰石涂層鈦合金植入體在體內(nèi)與骨結(jié)合良好,沒有松動(dòng)和滑脫,也未見感染現(xiàn)象,在涂層與骨周圍沒見放射透亮區(qū)。3.2植入體植物的組織結(jié)構(gòu)圖3、圖4、圖5分別為生物玻璃/羥基磷灰石涂層、等離子噴涂羥基磷灰石涂層和無(wú)涂層的Ti6Al4V鈦合金植入體切片的苦味酸-品紅染色后的組織學(xué)照片。結(jié)果顯示,在植入2周后,三種植入體周圍和凹槽內(nèi)都有編織骨形成。在生物玻璃/羥基磷灰石涂層植入體周圍骨較密集,在凹槽內(nèi)可見貼壁生長(zhǎng)的骨質(zhì)。鈦合金植入體的骨主要集中在凹槽的開口處,在外圍還可看見明顯的纖維組織。到4周時(shí)后,各組植入體周圍骨逐漸轉(zhuǎn)變成板層骨,大多數(shù)集中在植入體壁上,每組植入體周圍骨與假體的接觸長(zhǎng)度都在變長(zhǎng)。生物玻璃/羥基磷灰石涂層植入體凹槽內(nèi)骨量沒有明顯變化,而等離子噴涂羥基磷灰石涂層和Ti6Al4V植入體凹槽內(nèi)骨量明顯減少。12和24周后,各組植入體周圍骨接觸長(zhǎng)度都在變長(zhǎng),骨組織完全生長(zhǎng)成為板層骨。生物玻璃/羥基磷灰石涂層植入體凹槽內(nèi)仍存在一定量的骨組織,而等離子噴涂羥基磷灰石和Ti6Al4V植入體凹槽內(nèi)骨量則進(jìn)一步減少。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段中,經(jīng)過切片打磨和拋光處理后,生物玻璃/羥基磷灰石涂層與鈦合金基體仍緊密結(jié)合,其結(jié)合界面上未發(fā)現(xiàn)裂痕出現(xiàn),而在4周的等離子噴涂羥基磷灰石植入體的切片上,卻可觀察到涂層與鈦合金基體脫離的現(xiàn)象,如圖4B中的箭頭所示。3.3骨與植入體的結(jié)合圖6為植入12周后植入體截面切片的高倍掃描電鏡照片,從該圖中可以看出骨與植入體結(jié)合的細(xì)節(jié)。生物玻璃/羥基磷灰石涂層和等離子噴涂羥基磷灰石涂層都與骨結(jié)合緊密,結(jié)合界面上未見縫隙,而Ti6Al4V合金與骨的結(jié)合界面上卻存在一條明顯的縫隙。3.5植入時(shí)間的延長(zhǎng)圖7為各植入體在植入不同時(shí)間段后與骨的接觸率比較。從圖中可以看出,各植入體與骨的接觸率隨植入時(shí)間的延長(zhǎng)在不斷上升。在植入2周和4周后,三種植入體與骨接觸率之間沒有明顯差異。植入12周和24周后,生物玻璃/羥基磷灰石涂層植入體與骨的接觸率要明顯高于等離噴涂羥基磷灰石涂層和Ti6Al4V植入體,而等離噴涂羥基磷灰石涂層和Ti6Al4V植入體之間卻沒有明顯差異。3.6生物玻璃/羥基磷灰石涂層植入體表面形態(tài)圖8為各植入體在植入不同時(shí)間段后凹槽內(nèi)骨長(zhǎng)入量的比較。與骨接觸率不同的是,等離子噴涂羥基磷灰石涂層和Ti6Al4V植入體凹槽內(nèi)骨量隨植入時(shí)間的延長(zhǎng)在迅速下降,在各個(gè)植入時(shí)間段,二者之間沒有明顯差異。生物玻璃/羥基磷灰石涂層植入體凹槽內(nèi)骨則顯示出完全不同的生長(zhǎng)情況。在植入2周時(shí),其凹槽內(nèi)骨量與對(duì)照組沒有明顯差異,但植入4周后,其凹槽內(nèi)骨量并沒有發(fā)生顯著變化,在植入12周后,其凹槽內(nèi)骨量達(dá)到最高,植入24周后,凹槽內(nèi)骨量略有下降,但仍高于2周和4周時(shí)的骨量。4生物玻璃/羥基磷灰石涂層的生長(zhǎng)和誘導(dǎo)作用作為骨替代植入物,其成功與否的關(guān)鍵就是其與骨的結(jié)合狀況。鈦合金作為一種已成功在臨床上運(yùn)用的骨替代材料,其生物相容性已得到驗(yàn)證。但鈦合金是一種生物惰性材料,其與骨不能直接結(jié)合,其在體內(nèi)與骨之間的固定是一種形態(tài)固定,依賴于骨與鈦合金之間的機(jī)械咬合。同時(shí)由于彈性模量的差異,容易在界面誘發(fā)纖維組織的生長(zhǎng),影響其與骨的結(jié)合。羥基磷灰石具有和骨無(wú)機(jī)成分一樣的組成,在體內(nèi)可與骨之間達(dá)到分子水平的化學(xué)鍵合,與骨形成骨鍵合固定。因此羥基磷灰石被制備成涂層在鈦合金表面來(lái)改善植入體與骨的結(jié)合狀態(tài),等離子噴涂羥基磷灰石涂層也在臨床上得到廣泛使用。在本實(shí)驗(yàn)中,雖然在骨接觸率,凹槽內(nèi)骨長(zhǎng)入量,甚至低倍光學(xué)照片上不能觀察到二者的差異(除了在2周Ti6Al4V植入體切片上觀察到纖維組織外),但從高倍SEM照片上可觀察到二者與骨結(jié)合狀態(tài)的顯著差異。骨組織與羥基磷灰石涂層之間結(jié)合緊密,而與Ti6Al4V合金之間卻存在明顯的縫隙。無(wú)論是鈦合金還是羥基磷灰石,其都只具有骨傳導(dǎo)作用,骨只能沿其表面和縫隙爬行生長(zhǎng)。因此,在沒有傳導(dǎo)介質(zhì)的凹槽中,手術(shù)導(dǎo)致的碎骨不斷被吸收,導(dǎo)致凹槽內(nèi)骨量不斷下降。自70年代初生物玻璃被發(fā)明以來(lái),其性能已得到深入的研究,并在臨床上得到了應(yīng)用。研究結(jié)果顯示,生物玻璃能通過表面形成的一層類骨羥基磷灰石與骨形成生物鍵合,與此同時(shí),其釋放的Si離子還能促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖[11~13]。除骨傳導(dǎo)作用外,生物玻璃還具有骨誘導(dǎo)作用,其能在非骨部位(如皮下和肌肉組織)誘導(dǎo)骨的形成。生物玻璃/羥基磷灰石涂層表面為生物玻璃與羥基磷灰石的復(fù)合體,兩種材料都具有與骨鍵合的能力,在結(jié)合界面上,生物玻璃/羥基磷灰石涂層與骨結(jié)合良好,沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。除此之外,生物玻璃還具有刺激骨生長(zhǎng)和誘導(dǎo)骨形成的能力。因此,在生物玻璃/羥基磷灰石涂層植入體周圍,新骨的生長(zhǎng)速度要高于兩組對(duì)照,使其骨接觸率明顯提高。在凹槽內(nèi),生物玻璃析出的離子支持了碎骨的生長(zhǎng),凹槽內(nèi)骨繼續(xù)生長(zhǎng),骨量不降反升。但當(dāng)植入24周后,凹槽內(nèi)骨量略有下降,最可能的原因是隨著植入時(shí)間的延長(zhǎng),涂層中玻璃離子釋放速度下降,使新骨的生長(zhǎng)速度下降,在凹槽內(nèi)的骨沒有攀附基體,骨吸收速度快于生長(zhǎng)速度,從而導(dǎo)致骨量下降。由于采用的是熱膨脹系數(shù)與鈦合金接近的生物玻璃作為涂層的過渡層,生物玻璃/羥基磷灰石涂層與鈦合金結(jié)合良好,在整個(gè)植入期間,雖然切片經(jīng)過切割、打磨和拋光處理,在生物玻璃/羥基磷灰石涂層和鈦合金的接觸界面上,都沒有裂紋出現(xiàn),而等離子噴涂羥基磷灰石涂層植入體4周的切片中,涂層與鈦合金結(jié)合界面上,卻可以看見明顯的裂紋。5羥基磷灰石涂層通過對(duì)生物玻璃/羥基磷灰石涂層、等離子噴涂羥基磷灰石涂層和無(wú)涂層的Ti6Al4V合金植入體在兔子體內(nèi)植入切片的觀察和分析,可以得出以下結(jié)論:(1)生物玻璃/羥基磷灰石涂層、等離子噴涂羥基磷灰石涂層和無(wú)涂層的Ti6Al4V合金都具有良好的生物相容性,在植