1.1 设计 随机分组对照动物实验,组间比较进行方差分析。
1.2 时间及地点 实验于2021年5-8月在江西省人民医院完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物 选取健康新西兰大白兔36只,雄性,约3月龄,体质量(3.2±0.5) kg,由西安迪乐普生物医学有限公司提供,许可证号:SCXK(陕)2019-002。饲养环境温度(20±5) ℃,湿度50%-60%。所有实验操作严格遵守国家法规的规定,符合动物伦理原则。实验已由江西省人民医院伦理委员会批准,批准号:2021-041。
1.3.2 实验主要材料 羟基磷灰石(迈海材料基因组国际研究院,批号:20200508);β-磷酸三钙(迈海材料基因组国际研究院,批号:20200508);聚乙烯醇(西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司,批号:Mkck 4857)。
1.3.3 实验试剂与仪器 1%戊巴比妥(中国医药集团上海化学试剂公司);酸赛拉嗪(吉林省华牧动物保健品有限公司);邻苯二甲酸二丁酯、无水乙醇、亚甲基蓝、正丁醇、酸性品红(国药集团化学试剂有限公司);甲基丙烯酸甲酯(天津市大茂化学试剂厂);过氧化苯甲酰(天津市致远化学试剂有限公司);甲酸、甲醇(天津市富宇精细化工有限公司);甲醛固定液(南昌雨露实验器材有限公司);苦味酸(鞍山智邦化工有限公司);高锰酸钾(洛阳昊华化学试剂有限公司);兔抗Ⅰ型胶原蛋白抗体、HRP标记的山羊抗兔IgG二抗、PBS、苏木精染液、苏木精返蓝液、苏木精分化液、40 g/L多聚甲醛、超净快干封固胶、免疫组化试剂盒DAB显色剂、牛血清白蛋白(Servicebio);体积分数3%过氧化氢消毒液(山东安捷高科消毒科技有限公司);脱水机(济南丹吉尔电子有限公司,型号:Donatello);包埋机(武汉俊杰电子有限公司,型号:JB-P5);病理切片机(上海徕卡仪器有限公司,型号:RM2016);染色机(济南丹吉尔电子有限公司,型号:Giotto);全自动显微镜(上海徕卡仪器有限公司,型号:DMILM);恒温水浴锅(常州国宇仪器制造有限公司,型号:HH-420);超声清洗仪(韶关市洁盟超声科技有限公司,型号:JP-060);硬组织切片机(上海徕卡仪器有限公司,型号:Leica SP 1600);金相磨抛机(上海川禾实业发展有限公司,型号:TMP-1B);脱色摇床(Servicebio,型号:TSY-B);涡旋混合器(Servicebio,型号:MX-F);掌上离心机(Servicebio,型号D1008E);组化笔(Servicebio,型号:WG1066-1);光学显微镜(日本Nikon公司,型号:E100);成像系统(日本Nikon公司,型号:DS-U3);160 kV微焦点工业CT(德国Quart公司,型号:AX2000)。
1.4 实验方法
1.4.1 多孔生物陶瓷支架的制备
配制涂层浸渍液:将羟基磷灰石与β-磷酸三钙粉体分别以质量比7∶3(以下统称为7∶3涂层组)、5∶5(以下统称为5∶5涂层组)、3∶7(以下统称为3∶7涂层组)进行物理混合,将混合后的羟基磷灰石/β-磷酸三钙粉体与生理盐水按照质量比5∶2配制并搅拌均匀,形成浸渍液。
配制生物打印墨水:将质量分数为8%聚乙烯醇水溶液添加到羟基磷灰石粉末中(二者质量比为1.07∶1),于室温下置于均质搅拌机中搅拌,形成混合均匀的生物打印墨水。
3D打印:使用生物陶瓷3D打印机(PCPrinter MF150,西安点云生物科技有限公司)进行生物墨水打印成型操作,喷头直径为60.0 μm,设置打印速度为10.0 mm/s,填充率为42.0%,最终完成外形尺寸为Φ5.0 mm×15.0 mm的多孔生物陶瓷支架半成品模型。将此模型置于硅油原位冻干机中冷冻干燥24 h,然后置于高温箱式炉中1 300 ℃烧结4 h,得到干燥后的多孔生物陶瓷支架。
涂覆涂层:最后将打印的支架置于涂层浸渍液中,在室温下进行浸渍沉积,每次浸渍 5 min,共浸渍3次,支架烘干温度设置为120 ℃,时间为6 h,即可得到不同涂层比例的多孔生物陶瓷支架,见图1A。
1.4.2 支架基本性能检测方法
(1)细胞毒性检测:依据GB/T 16886.5-2017《医疗器械生物学评价 第5部分:体外细胞毒性试验》中方法,制备材料浸提液、进行细胞培养,使用MTT法检测样品对小鼠成纤维细胞L-929(购于中国科学院典型培养物保藏委员会细胞库)增殖的影响。浸提介质为含体积分数10%胎牛血清的MEM培养液。
样品浸提液制备:将7∶3涂层组支架、5∶5涂层组支架、3∶7涂层组支架实验样品各取2.0 g,以0.1 g/1 mL为浸提比例,加入20 mL浸提介质,37 ℃下60 r/min振荡浸提24 h。将3.9 g聚苯乙烯加入19.5 mL浸提介质中,37 ℃下60 r/min振荡浸提24 h,制备阴性对照样品浸提液。将2.0 mL二甲基亚砜加入18.0 mL的浸提介质中,37 ℃下60 r/min振荡浸提24 h,制备阴阳性对照样品浸提液。
细胞准备:L-929细胞使用含抗生素(100 U/mL青霉素、100 μg/mL)和含体积分数10%胎牛血清的MEM培养基培养,置于37 ℃、体积分数5%CO2培养箱饱和湿度下培养。当细胞生长趋近融合时收集细胞,并调整细胞浓度1×108 L-1进行实验。
实验分组与处理:将L-929细胞悬液加入96孔板,每孔100 μL,细胞密度为1×104/孔,置于37 ℃、体积分数5%CO2培养箱培养24 h。弃去培养液,分组加入实验样品浸提液(100%,75%,50%,25% 4个浓度组)、空白对照液(仅含浸提介质,不含细胞)、阴性对照样品浸提液和阳性对照样品浸提液,置于37 ℃、体积分数5%CO2培养箱内培养24 h。培养结束后,取出96孔板先做细胞形态学观察,然后吸出原来的培养液,每孔加50 μL的MTT (1 mg/mL),置于37 ℃、体积分数5%CO2培养箱中培养2 h,弃去培养液,每孔加100 μL异丙醇(纯度99.9%),振荡混匀,放入酶标仪内570 nm波长处读数(参照波长650 nm)。实验采用显微镜检查细胞进行定性评价,分级> 2级被认为有细胞毒性作用;测定各组吸光度值,计算细胞相对存活率,细胞活性下降> 30%被认为有细胞毒性反应。
细胞相对存活率(%)=检测组平均吸光度值/空白对照组平均吸光度值×100%
(2)力学性能检测:依据GB/T 1448-2005,采用力学性能测试机对多孔生物陶瓷支架进行抗压力学性能测试。将试样在37 ℃条件下干燥24 h,用金刚砂磨平2个端面。测量受压面积后,试样垂直放置在力学试验机上,测定其抗压缩强度,加载速度为1 mm/min,直至圆柱体破裂,根据极限载荷计算试样的抗压强度。
(3)孔隙率检测:依据国标GB/T 1966-1996,利用阿基米德原理测量多孔生物陶瓷支架的孔隙率,首先称取样品的质量(记作m1),然后用疏水线将样品悬至去离子水中,测得样品浸润在水中的质量(记作m2),最后将样品取出,滤纸吸去其表面水分,称取该样品的质量(记作m3),根据如下公式计算支架的孔隙率(记作Va)。
Va=(m3-m1/m3-m2)×100%
(4)支架涂层厚度:利用飞钠电镜的光学模式观察支架浸渍前后的孔径尺寸,得出涂层的厚度。
1.4.3 动物实验 将36只新西兰大白兔采用随机数字表法分为4组,分别为空白组、3∶7涂层组、5∶5涂层组、7∶3涂层组,每组9只。耳缘静脉注射盐酸赛拉嗪(4.0 mg/kg)和1%戊巴比妥(30.0 mg/kg)进行麻醉,右前肢局部剃毛备皮消毒后,切开皮肤和皮下筋膜,暴露出桡骨后,测量兔桡骨骨干直径,使用摆锯构建15.0 mm 桡骨中上1/3段超临界骨缺损模型,如图1B。经测量兔桡骨的骨干直径为(4.65±0.50) mm,故该模型符合超临界骨缺损的界定。随后,分别为植入3∶7涂层、5∶5涂层、7∶3涂层支架,如图1C。其中空白组建立缺损模型,不填充支架。生理盐水冲洗后逐层缝合,闭合创口。术后将兔送回动物房,常规喂养,每兔每日肌注青霉素12×104 U,共3 d,预防伤口感染。术后4,8,12周取材,每组每个时间点分别处死3只兔。
X射线片检查:术后4,8,12周,对4组实验动物骨缺损修复处进行X射线片检查,记录骨缺损愈合情况。
Micro-CT检查:术后4,8,12周,将骨缺损修复处桡骨取材,加入甲醛固定液固定24 h。固定结束后进行Micro-CT扫描,设置电压150 kV,电流180 μA,分辨率9.5 μm,帧平均2帧,曝光时间700 ms,分析骨缺损区支架内部及外部新生骨体积分数。
Van-Gieson 染色:术后4,8,12周,将骨缺损修复处桡骨取材,分别经过梯度乙醇脱水、石蜡包埋、固化后,切成10 μm厚的切片,使用Van-Gieson染色试剂盒染色后,光学显微镜下观察及拍照,评估其修复状态。
苏木精-伊红染色:术后4,8,12周,将骨缺损修复处桡骨取材,分别经过脱钙、梯度乙醇脱水、石蜡包埋、固化后,切成10 μm厚的切片,使用苏木精-伊红染色试剂盒染色后,光学显微镜下观察及拍照,评估其修复状态。
Ⅰ型胶原蛋白免疫组织化学分析:术后4,8,12周,将骨缺损修复处桡骨取材,分别经过脱钙、梯度乙醇脱水、石蜡包埋、固化后,切成10 μm厚的切片后进行染色。操作步骤为:石蜡切片脱蜡至水;即用型胃蛋白酶修复液抗原修复,37 ℃孵育20 min,PBS(pH=7.4)洗5 min×3次;体积分数3%双氧水溶液阻断内源性过氧化物酶,室温孵育25 min,PBS(pH=7.4)洗5 min×3次;体积分数3%牛血清白蛋白室温封闭30 min;滴加兔抗Ⅰ型胶原蛋白抗体(比例1∶500),4 ℃过夜,PBS(pH=7.4)洗5 min×3次;滴加HRP标记的山羊抗兔IgG二抗(比例1∶200),室温孵育50 min,PBS(pH=7.4)洗5 min×3次;DAB显色,苏木精复染细胞核,脱水封固。光学显微镜下观察及拍照,评估其修复状态。
1.5 主要观察指标 3种比例涂层支架的细胞毒性、孔隙率、力学强度、涂层厚度,以及修复兔桡骨超临界骨缺损的效果。
1.6 统计学分析 实验数据均以x±s表示,并使用SPSS 22.0软件进行重复测量方差分析。P < 0.05认为差异有显著性意义。该文统计学方法已经江西省人民医院生物统计学专家审核。