纳米羟基磷灰石/聚酰胺材料的体内成骨能力

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.30.003

摘要/Abstract

摘要：

背景：作为骨修复重建材料，纳米羟基磷灰石具有良好生物相容性及骨传导性，但临床上中单一使用纳米羟基磷灰石尚存在许多不足。

目的：观察纳米羟基磷灰石/聚酰胺材料的体内成骨能力。

方法：取24只新西兰大白兔，进行纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工肱骨头置换，分别于置换后3，6，12，24周，进行X射线观察、组织学观察。

结果与结论：①X射线观察：不同时间点材料上端皮质均未出现骨皮质变薄、异位骨化等发生，纳米羟基磷灰石/聚酰胺材料无碎裂迹象，材料四周皮质均可见模糊界面，密度随着时间的增加而增加。②组织学观察：置换后3周，可见大量细胞，包括间充质细胞、单核巨噬细胞等；置换后6周，仍可见界膜内的大量纤维组织、成纤维细胞、单核巨噬细胞，而软骨细胞和成骨细胞分布较少；置换后12周，大范围原始骨小梁开始形成且多呈扁平状，排列整齐有序；置换后24周，组织界膜被骨细胞充斥，骨小梁表面的细胞较规则，骨组织原始细胞开始转变为板层状骨。说明纳米羟基磷灰石/聚酰胺材料具有良好的成骨能力。

；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 纳米羟基磷灰石, 聚酰胺, 成骨能力, 广东省自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: As a bone reconstruction material, nano-hydroxyapatite has good biocompatibility and osteoconduction, but the clinical use of nano-hydroxyapatite alone still has many deficiencies.

OBJECTIVE: To explore the in vivo osteogenic capability of nano-hydroxyapatite/ polyamide composites.

METHODS: Twenty-four New Zealand white rabbits were subjected to humeral head replacement using nano-hydroxyapatite/polyamide composite material. X-ray observation and histological observation were done at 3, 6, 12, 24 weeks after replacement.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) X-ray observation: No thinned cortical bone and ectopic ossification occurred on the upper end of the composite material at different time, and the nano-hydroxyapatite/polyamide material had no signs of fragmentation. The cortical bone around the composite material was fuzzy, and the bone mineral density was increased with time. (2) Histological observation: At 3 weeks after replacement, a large number of cells could be visible, including mesenchymal stem cells and mononuclear macrophages. At 6 weeks after replacement, a large amount of fibrous tissues, fibroblasts and mononuclear macrophages still existed in the boundary membrane, but chondrocytes and osteoblasts distributed less. At 12 weeks after replacement, a wide range of original trabecular bone began to form and were mostly flat that arranged regularly. At 24 weeks after replacement, the boundary membrane was full of bone cells, but the cells on the surface of trabecular bone were relatively regular and primitive cells in the bone tissue began to transform into the lamellar bone. These findings indicate that the nano-hydroxyapatite/polyamide material has good osteogenic capability

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Biocompatible Materials, Durapatite, Nylons

中图分类号:

R318

徐显春，王治，侯铁奇. 纳米羟基磷灰石/聚酰胺材料的体内成骨能力[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(30): 4769-4773.

Xu Xian-chun, Wang Zhi, Hou Tie-qi. In vivo osteogenic capability of nano-hydroxyapatite/polyamide composite material[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(30): 4769-4773.

图/表（结果） 3

2.1 实验动物数量分析 24只兔均进入结果分析。 2.2 动物一般情况大白兔术后立即负重，切口无红肿等不良反应，处死前均能正常生活，肩关节无脱位并发症发生。

2.3 组织学观察结果置换后3周，可见大量细胞，包括间充质细胞、单核巨噬细胞等；置换后6周，仍可见界膜内的大量纤维组织、成纤维细胞、单核巨噬细胞，而软骨细胞和成骨细胞分布较少；置换后12周，大范围原始骨小梁开始形成且多呈扁平状，排列整齐有序；置换后24周，组织界膜被骨细胞充斥，骨小梁表面的细胞较规则，骨组织原始细胞开始转变为板层状骨(图1)。

假体四周组织形态计量学评测：置换后3周，假体表面骨组织占(52.9±11.0)%，纤维层所占比例为(15.3± 3.0)%；置换后6周，假体表面骨组织占(76.9±8.2)%，纤维层所占比例为(23.2±6.2)%，置换后12周，假体表面骨组织占(91.2±2.3)%，纤维层所占比例为(13.5±4.2)%；置换后24周，假体表面骨组织占(98.0±1.2)%，纤维层所占比例为(14.2±9.2)%，见表1。由此看出，随着时间的的增长，假体表面骨组织变化不明显，纤维层所占比例总体出现降低趋势。

骨结合率：骨结合率由大到小的顺序为，3周< 6周< 12周< 24周，其中12周与24周比较差异有显著性意义(P < 0.05)，3周和6周相比差异有显著性意义(P < 0.05)。2.4 X射线观察结果不同时间点材料上端皮质均未出现骨皮质变薄、异位骨化等发生，纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工肱骨头无碎裂迹象，材料四周皮质均可见模糊界面，密度随着时间的增加而增加。

参考文献

引言

骨是一个具有相对复杂分级结构的无机物和有机物复合材料。骨科疾病在临床上发病率相对较高，患者发病后更多的以疼痛、活动不便等为主^[1]。半世纪以来，人工髋关节置换手术得到了广泛应用，并且取得了阶段性进展。手术过程中植入假体后，假体表面和接触的骨组织之间能够形成一个界面。传统的假体材料多以金属材料为主，金属材料综合性能较强，加工性能也比较优越，同时在价格等方面也有着独特的优势^[2]。但在骨组织内经过多种酶的催化后，金属材料容易产生腐蚀作用，再加上金属材料形成后缺乏活性界面，造成骨面结合能力较差，影响手术治疗预后。因此，临床上在髋关节置换手术中研究积极有效的复合材料具有重要意义^[3-4]。近年来，纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料在髋关节置换中得到了广泛使用，且效果理想^[5]。纳米羟基磷灰石是临床上使用较多的一线材料，该材料具有良好的生物相容性及骨传导性，属于骨修复重建材料^[6-7]。但是，临床上骨修复过程中单一使用纳米羟基磷灰石尚存在许多不足，如降解速度难以控制等，临床使用受到一定局限性。聚酰胺也是临床上使用较多的一线材料，该材料具有较好的生物相容性和降解性能^[8-9]。但是，目前临床上对于纳米羟基磷灰石和聚酰胺复合材料的使用尚无研究，两种材料的联合使用能够发挥不同单体材料的优势，获得良好的材料形态、结构；但是，临床上对于纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工肱骨头材料的成骨能力并不完全知晓，需要进一步研究和分析^[10-11]。实验探讨纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料的成骨能力。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

设计：动物观察实验。

时间及地点：于2013年12月至2014年12月在泸州医学院附属医院实验室完成。

材料：纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工肱骨头材料，直径5 mm、厚度2 mm，其中纳米羟基磷灰石质量占60%，由四川国际纳米技术科技有限公司制备和提供^[12-13]。

实验动物：选用六七周龄新西兰大白兔24只，体质量(3.25±0.5) kg，雌雄不拘，由四川大学实验动物中心提供，合格证号为：SCXK(川)2007-0010，严格遵守相关标准进行饲养^[14]。

纳米羟基磷灰石/聚酰胺材料成骨实验的主要仪器和试剂：
试剂与仪器	来源
恒温培养箱	索尼，日本
EL800酶标仪	Bio-tek，美国
CO₂细胞培养箱	LRB MODEL 2300，美国
倒置相差显微镜、倒置相差显微镜数码摄像仪	OLYMPUS，日本
电压力蒸汽消毒器	上海仪器总厂，中国
3%戊巴比妥	北京普博斯生物科技有限公司
DMEM	GIbco，美国
胎牛血清	Hyclone，美国
二甲基亚砜	Sigma，美国

实验方法：
假体植入实验：取饲养2周的24只大白兔，采用3%戊巴比妥进行麻醉，麻醉成功后，在大白兔右肩外侧做一个长为45 mm的切口，进行纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工肱骨头置换，在X射线下确定放置位置满意后，进行封层缝合，术后不限制兔活动，立即让其进行负重活动[15-25]。

主要观察指标：置换后3，6，12，24周，各取6只兔处死进行以下检查。
X射线观察：采用X射线拍摄大白兔肩关节正侧位片。
组织学观察：取材料及其周围组织，采用不脱钙的硬组织切片法制作组织学标本硬切片，在倒置相差显微镜下进行观察，观察纤维覆盖率、骨覆盖率及骨结合率^[23]。骨结合率=视野中界面骨性结合长度/视野中界面总长度。

统计学分析：对研究所得数据利用SPSS 18.0软件进行处理，其中符合正态分布的数据进行单因素方差分析，存在统计学意义予以LSD法两两比较。检测P值，如果经检测P < 0.05，则提示经比较两组数据间差异存在显著性意义。

讨论

半世纪以来，人工髋关节置换手术得到了不断改进且取得了阶段性进展。患者手术过程中无论使用何种假体，术后10年均能够保持90%的优良率。这种手术的出现和实施显著改善了患者的病痛，更加有利于患者关节恢复，改善患者生活质量^[26]。但是手术过程中传统假体更多以金属材料为主，这种材料虽然能够满足手术及肢体功能恢复的需要，但随着患者术后恢复时间的延长，术后骨吸收、假体松动等并发症发生率较高^[27]。根据相关研究结果显示，患者髋关节手术后假体界面存在磨损碎屑，容易诱发生物学骨溶解，从而引起假体松动；同时，部分术后容易产生外应力遮挡^[28]。金属柄植入后，经力传递方式传导至远端骨折部位，造成近端骨折应力较少，引起骨质疏松等，造成近端缺乏支撑，引起假体松动，影响术后治疗效果^[29-30]。近年来，纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料在髋关节置换手术中广为使用，且效果理想^[31-32]。纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料具有独特的优势，该材料具有良好的生物相容性和金属材料特性。从材料学的角度来说，人体骨属于是一种无机相的高分子材料，表面具有丰富的胶原纤维，且富含羟基磷灰石。而纳米羟基磷灰石是具有一定弹性的高分子聚合物，它是两种不同单体的结合，具有天然的相容性^[33]。同时，纳米羟基磷灰石晶体处于纳米级，在骨基质中分布相对比较均匀，该材料具有无机相增强，同时也具备无机相增韧等多种作用。聚酰胺在临床上使用也比较多，特点更加显著^[34]。聚酰胺本身具有较强的弹性模量，与人体皮质骨十分相似，临床使用过程中能够降低应力遮挡^[35]。髋关节置换过程中采用纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料能够发挥不同材料的优势，达到优势互补，能够降低金属人工假体材料的使用，降低术后假体的松动率^[36-46]。从本次研究中可以看出，不同时期假体上端皮质均未出现骨皮质变薄、异位骨化等一系列骨托现象发生，纳米羟基磷灰石/聚酰胺人工假体均无碎裂迹象。不同周期假体四周皮质均可见模糊的界面，密度随着时间增加而相应增加，但第12，24周假体表面出现低密度区，但并没有出现空洞、吸收等现象。由此看出，兔体内植入复合材料后的形态比较规则，更加有利于其术后恢复^[47]。本次研究中，术后随着时间的的增长，骨组织变化不明显，纤维层所占比例总体出现下降趋势^[48]。同时，纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料的使用还能够与患者机体组织有效结合，植入假体后材料中的组织能够迅速和机体相关组织融合，在机体内长期稳定存在，提高术后恢复效果；此外，材料植入机体后还能够产生一层蛋白质，避免患者术后发生感染等。许勇等^[49]进行了一次实验，实验中对人体植入假体做出了明确要求，实验结果显示：髋关节置换手术患者植入假体后表面需要类骨磷灰石。本次研究中，术后骨结合率3周< 6周< 12周< 24周，其中12周与24周比较差异有显著性意义(P < 0.05)，3周和6周相比差异有显著性意义(P < 0.05)。由此看出，随着时间的不断延长，纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料使用过程中的骨结合率出现明显上升趋势。但是，本实验受到研究时间及样本容量等因素的限制，还存在一些缺陷和不足，还需要在今后的研究中予以不断完善。综上所述，髋关节置换患者术中使用纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料效果理想，材料对人工肱骨头柄界面能够产生结合能力，值得推广使用。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

[1]	刘江锋. 纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合材料联合锁定钢板治疗股骨骨纤维异常增殖症[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 542-547.
[2]	李黎, 马力. 磁性壳聚糖微球固定化乳糖酶及其酶学性质[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 576-581.
[3]	刘鋆, 杨龙, 王伟宇, 周玉虎, 吴颖, 卢涛, 舒莉萍, 马敏先, 叶川. 聚3-羟基丁酸酯4-羟基丁酸酯/聚乙二醇/氧化石墨烯组织工程支架的制备和性能评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3466-3472.
[4]	周安琪, 唐渝菲, 吴秉峰, 向琳. 骨膜组织工程设计：共性与个性的结合[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3551-3557.
[5]	郎丽敏, 何生, 姜增誉, 胡奕奕, 张智星, 梁敏茜. 导电复合材料在心肌梗死组织工程治疗领域的应用进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3584-3590.
[6]	王任先, 曹晶晶, 王宏刚, 万奔, 刘巍峰. 几种分散剂对纳米羟基磷灰石团聚、细胞内分布和细胞增殖的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2500-2505.
[7]	解健, 苏俭生. 静电纺丝取向纳米纤维作为组织工程生物支架的优势与特征[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2575-2581.
[8]	纪琦, 喻正文, 张剑. 3D打印金属基生物材料工艺和临床应用的问题与趋势[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2597-2604.
[9]	宋涯含, 吴云霞, 范道洋. 基于VOSviewer生物医学领域3D打印的知识图谱分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(15): 2385-2393.
[10]	钱楠楠, 张潜, 杨睿, 敖俊, 章涛. 间充质干细胞治疗脊髓损伤：细胞治疗及联合新药和生物材料[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(13): 2114-2120.
[11]	罗雅馨, 毕浩然, 陈晓旭, 杨琨. 细胞外基质与组织的再生与修复[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(11): 1785-1790.
[12]	贾巍, 张满栋, 陈维毅, 王晨艳, 郭媛. 股骨假体材料对人工膝关节置换性能的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1477-1481.
[13]	王倩, 李璐, 舒静媛, 董志恒, 靳友士, 王青山. 氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度生物材料的微观形貌和物相分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1517-1521.
[14]	杨亚楠, 李峻峰, 王立, 刘恒全, 赖雪飞. 柠檬酸钙：一种有趣的有机钙生物医用材料[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1609-1615.
[15]	王刚, 李东辉, 白志明. 长段输尿管损伤替代治疗的方法、材料及修复重建的演变历程[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(8): 1299-1305.