interactionbetweencarboncompositesandboneafterintraboneimplantation英文文献翻译

1、骨内植入C/C复合材料两者反应研究Malygorzata LewandowskaSzumiel,1 Janusz Komender,1 Jan Chlyopek21华沙医科大学，生物组织协会，器官移植部门，中央银行组织，华沙，波兰2矿冶学校，特种陶瓷部门，克拉科夫，波兰1998.4.13投稿，1998.8.4录入摘要：本文通过把合适的的碳纤维增强碳（CFRC）多孔植入物材料植入老鼠体内的方式来评测其生物相容性。把六种不同连续孔隙大小（大约30µm）的碳纤维增强碳（CFRC）分别制成孔隙率为9,12,17%的2nm3基体结晶和孔隙率为6,12,20%的25nm3的基体结晶。在实验鼠大腿

2、骨内植入直径为1.5 mm的横向骨干钉，并在第5和45周，通过扫描电镜和电子探针对移植物和骨组织样品进行组织结构的检测。同时也对淋巴结和脾脏等特定区域进行检查。45周后，观察样品植入物与骨头直接接触点的表面，在植入物表面，部分CFRC已经被宿主组织替代。然而，电子探针结果显示植入物与骨头接触面之间的化学突变并没有发生离子之间的交叉扩散。除了表面效应外，还观察到有组织填充至植入物部分孔隙中，包括骨骼深处新生的组织。这就需要探针来进行组织结构上的观察和确认。结果显示，淋巴结和脾组织结构正常，没有发现碳颗粒，在研究范围内，孔隙率和基体微晶尺寸对实验结果并没有影响。总之，当这些多孔的CFRC与骨头接触

3、时会部分降解，出现大幅度的组织生物相容性。他们可以应用于再生骨支架领域。© 1999 John Wiley & Sons, Inc. J Biomed Mater Res (Appl Biomater) 48: 289296, 1999关键词：碳组织；碳纤维增强碳；骨内植入引 言碳纤维增强碳复合材料(CFRCs)比较适合应用于整形手术中，因为他们的生物相容性和低刚性比较适合骨皮质。14已报道的碳复合材料种植体研究描述了一种含有碳纤维的聚合物基体材料。5-11在Christel等人的研究文章中提到，可把CFRC和CFR聚合物作为全髋关节置换与内固定的候选生物材料。3然而，与近纯

4、碳素材料相比，完全碳化材料的使用可以避免聚合物中降解产物的生成，但其生物相容性较差。因此，CFRC与骨组织间接触行为的进一步研究调查显得尤为重要。已有许多科研人员对多种形式的碳材料生物相容性进行了研究。1,12-16然而，目前还不清楚C/C复合材料在植入骨内后会表现出惰性还是活性。我们之前的一项实验中，曾把植入兔股骨3个月后的CFRC与骨交界面的剪切强度和羟基磷灰石和不锈钢交界面相比较。17 CFRC的剪切强度高于不锈钢，低于羟基磷灰石。实验结果表明，CFRC种植体与宿主骨组织的一些直接键合反应出现在骨内植入3个月左右。该反应随着种植体抗压强度的显著降低越来越明显，这说明种植体材料的结构已经发

5、生变化。因此，我们的假设是CFRC在植入骨内后并非呈现完全的惰性特征。本研究的目的是确定骨内植入后的CFRC-骨交界面的性质。种植体孔隙率是影响骨整合的一个已知因素，因此，我们使用了不同开孔率的CFRC材料。测试了非晶和晶体基体复合材料对这种可能的生物活性种植体结晶度的潜在影响。材料及实验方法种植体选用六种具有相似本体形态而结晶度和孔隙度不同的CFRC，并将试样制备为1.6mm×5mm的圆柱杆。所有复合材料组成直径为6mm的碳纤维在碳基体种植体长轴中平行排列。碳含量为99.9%，剩余的0.1%是由O、H、N构成。碳纤维是在波兰克拉科夫的矿冶大学制备的。这些碳纤维都是从聚丙烯腈中获得的

6、，并制成相同条件的种植体。相比之下，基体的微观结构和孔隙率都在复合材料应用过程中发生显著变化。前驱体的类型也会影响基体的结晶度。沥青为前驱体的基体平均晶粒尺寸为25nm3，而酚醛树脂为前驱体的基体平均晶粒尺寸为2nm3。此外，通过采用不同的制造工艺，已研制了三种不同孔隙率水平的碳基体材料。19-21Hence研究发现，以沥青为前驱体的基体材料具有较大的晶粒尺寸，在该组中，种植体平均开孔率为6，12，20%。而以酚醛树脂为前驱体的实验组中，基体几乎无定型并且晶粒尺寸较小，平均开孔率为9，12，17%。在动物实验中，共植入了14个具有相同孔隙率和结晶度的材料。在孔隙率最低的组别（即孔隙率分别为6,

7、9%），种植体外部另外涂热解炭。所有材料的平均孔径（开孔）大约为30m。此外，在所用种植体表面，偶尔会出现平均粒径60-220m的不连续基体。手术和实验设计将CFRC横向植入全身麻醉的大鼠股骨及皮层质骨骨干中，每个股骨都插入一个植入体。42只3月龄的Wistar 雄性大鼠分为三组进行实验。每个实验动物左、右股骨都分别植入了相似孔隙率不同结晶度的种植体。从每个结晶度实验组中选取7个实验动物在实验5周后处死，45周后再选取7个实验动物处死，并切除动物股骨植入区域和淋巴结和脾脏区域。把每个实验阶段的六个股骨用乙醇保存好，用X光片对植入位置进行记录。将包含种植体的脱钙股骨碎片在系列浓度的酒精溶液中脱水

8、，并嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中。将切除的器官在Bouin氏固定液中固定，进行常规组织学分析。此外，在切除股骨后，从结晶度和孔隙度实验组中选取两个样品（分别为植入5周，45周）直接从骨中取出，测量它们的尺寸并与未植入的样品作比较。之后，为扫描电子显微镜（SEM）观察做准备。分析方法将嵌入PMMA的骨标本用碳化钨显微切片机平行于种植体轴线，垂直于骨髓腔切割，直到发现种植体全断面，以便切割完全。在暴露的表面上真空涂覆碳膜，用X射线电子探针观测植入物-组织接触界面。电子探针分析的样品制备方法将在很多文章中都有介绍。22本文使用了三种类型的X射线显微分析法。第一，观察C、Ca、P内部结构和种植体

9、外表面组织结构。第二，同一元素的线性分析是在种植体-骨接触界面进行的，且垂直于种植体长轴。第三，分别在距离骨-种植体接触面5,15,500m处测量碳的特征X射线强度。当X射线微量分析完成的时候，使用金刚石切片机制备实验其他部分的试样。将所有不脱钙骨切片用Goldner的改良三色法染色。将种植体在37下干燥后，进行扫描电镜实验。通过扫描电镜观察试样，并与未植入动物体的试样相比较，这些试样表面有碳的覆盖。结 果影响观察在5周和45周后，种植体周围的骨结构并未发生改变。观察分析了样品靠近种植体的骨皮质部分及骨髓腔内的密集部分，与观察时间和材料类型无关。也有人说，骨头在植入种植体后已被立即切除。组织学

10、观察五周后，在大多数情况下，所有样本组的植入物周围都有一层薄薄的疏松结缔组织；图1为中间组（即孔隙率为12%，高结晶度）的基体组织。种植体覆盖部分附近的皮质部分和骨髓腔内都发现了再生骨组织。虽然没有在整个界面观察，在某些情况下，也记录了种植体与骨之间的直接接触，该发现与植入材料类型无关。无论如何都会产生炎症反应，没有显著的淋巴细胞聚集现象，植入体周围发现异质人体细胞。同时，种植体深层出现非钙化组织。5周的实验分析组都显示了这一现象。植入45周后，注意到无论哪个样本组中，种植体与骨整个交界面几乎已经直接接触（以图2为例），骨髓腔内也是如此。图2为12%的孔隙率和高结晶度实验组的显微结构照片。在植

11、入物体内发现充满结缔组织和骨的区域（未显示）。这些区域内骨与结缔组织之间的骨样表现的非常坚固。在一些区域内这些结缔组织单独存在，其他的区域则完全填充如骨骼内。在种植体内部和外部分别观察种植体与宿主组织表面，发现所有试验组结果都很相似。5和45周后，在种植体附近组织发现小的碳颗粒（图1，2）。这一发现不伴有炎症产生。随后，在组织学切片表面发现一些碳颗粒。因此，至少有一部分颗粒是在切削过程中产生的。淋巴结和脾脏区域组织学外观正常，在淋巴结区域未发现碳颗粒。图1 种植体-组织交界面植入5周后组织学图片（Goldner的三色染色法）。向上的箭头标明种植体-组织交界面，在向上的箭头和向下的箭头之间可见一

12、层薄薄的疏松结缔组织（橙色）。组织中有一些小的碳颗粒，有一部分颗粒是在切削过程中产生的。向下的箭头指示骨样（暗红色）。总之，可以很明显的看到骨组织（绿色）。图2 种植体-组织交界面植入45周后组织学图片（Goldner的三色染色法）。可以看到种植体（黑色）与骨（绿色）直接接触，接触面用箭头标明。扫描电镜观察从骨内取出的植入体尺寸与未植入的样品尺寸没有差异。然而，5周后从组织中取出的植入体中，部分基体消失。图3（b）显示了在植入物表面发现碳纤维可见的一个例子，而非植入样品图3(a)的纤维隐藏在基体中。非植入样品和那些从骨中脱落样品的表面只在表面涂覆热解炭层的实验组有轻微差异，而其他组别基本无差异

13、，发现许多碳纤维组织穿透的例子（图4），纤维表面未发生改变。部分区域发现组织与植入体表面粘连（图5）。45周后从骨内取出的种植体表面变化同5周后的种植体表面观察结果相似。在种植体表面，部分复合基体由组织取代（图5）。虽然在基体消失的区域观察到一些断裂纤维，但是碳纤维的表面似乎没有变化。与植入5周时相比，除了观察到不受组织影响的区域还可以观察到较大区域内发生变化。植入45周后，不仅种植体表面性质发生变化，它们的强度也发生变化。图3 (a)种植体植入前表面SEM照片（最小样品，孔隙率6%，晶粒大小2nm3），(b)同一类型样品植入5周后取出的植入体表面。(a)未植入的样品其表面复合物基体可见；(b

14、)相反，取出的植入体表面有裸露的纤维。CFRC植入5周后的SEM照片可代表实验中所有的复合物类型。图4 种植体植入5周后，表面可见碳纤维间的组织渗透（试样类型同图3）；这张SEM照片是所研究的CFRC复合材料中的典型案例。图5 植入45周后取出的植入物表面（CFRC样品为9%孔隙率，2nm3晶粒大小）。该SEM照片为所有CFRC材料典型代表。部分裸露的碳纤维被组织覆盖，这种案例在所有实验组中都有。电子探针测量通过电子探针技术对骨-种植体交界面进行线性分析，结果显示C/C种植体和骨在植入5周，45周后均没有发生离子交换（图6）。在任何情况下，都未观察到钙、磷、碳在种植体-骨交界面扩散分布。在离骨

15、-种植体交界面5,15,500m的距离对骨进行碳特征X射线计数测量（采用Wilcoxon检验统计方法评价），结果并没有明显差异。然而，45周后取出的样品，在种植体垂直于其长轴方向对钙和碳进行线性分析，在种植体选取的地方有很高的钙含量（图7）。这些地方的X射线光谱与种植体周围骨的光谱分析相一致。在种植体内部产生钙磷富集区确定了这些元素的成分构成（图8）。虽然，每个种植体样品内骨填充的数量和区域大小不同，但是不同种植体种类之间并没有明显差异。图6 通过电子探针技术（X特征射线强度）得到的骨-种植体交界面线性分析。在交界面，钙（红色曲线）和碳（黑色曲线）的变化很陡，CFRC植入材料与骨的传递扩散过程

16、中并未发生离子交换。该例与图5的试样来自同一个实验组，对所有植入45周的种植体分析都得到类似的结果。图7 种植体垂直于其长轴方向钙（红色曲线）和碳（黑色曲线）线性分析结果（X特征射线强度），种植体内部发现高含钙区域。该例与图5的试样来自同一个实验组，对所有植入45周的种植体分析都得到类似的结果。图8 (a)通过电子探针穿过骨和种植体内部获得钙含量分布图。(b)在图中央可见植入物，白色点代表钙含量丰富区域，如文中所描述。钙富集区域可视为骨干和植入体内部矿化组织的代表。该例与图5的试样来自同一个实验组，对所有植入45周的种植体分析都得到类似的结果。讨 论结果表明，在本实验条件下，所用材料具有生物相

17、容性。任何分析过程中都没有发现炎症。植入物-组织交界面的组织学观察显示组织的再生能力与种植体有直接的关系。任何情况都没有封装的出现，相反，植入物周围骨组织的存在早在第五周就被证实了。对45周的植入物进行分析，植入物周围的骨组织已经十分有组织性。此外，结缔组织能够穿透碳复合材料；通过组织学观察和X射线显微分析证实，骨组织是从这种区域开始生长的。对植入物表面进行扫描电镜观察显示，种植体内部的骨构成过程可能为，首先是组织填充内部初始孔隙，其次是部分组织替代基体。基体置换需要与先前报道的细胞（小鼠成纤维细胞和巨噬细胞）的能力相符合，以便在CFRC种植体内部扩展新空间。23基于体外观察，可以认为，至少从

18、局部来看，CFRC植入后其基体的降解是一个细胞介导过程。按照欧洲社会共识会议对生物材料的定义，将“一种材料通过特定的生物活性作用而逐步分解”定义为“生物降解”。24从这方面讲，在所有分析样品中都出现的基体置换现象可被列为CFRC植入体的生物降解行为。通过扫描电镜分析发现所有试验组中碳纤维的表面都保持不变，因此，CFRC植入体中基体的生物降解性是有限的。基体分解和组织渗透的结果就是，纤维不能支持和承受更高的压力，这导致了某些情况下纤维断裂的产生。因为植入物的尺寸保持不变，所以其降解程度还无法确定，也没有观察到碳种植体和骨之间的离子交换。因此，种植体与骨之间似乎并没有发生化学键合。然而，根据我们的

19、其他实验结果，已在推出实验17中证实CFRC种植体与骨之间存在其他结合方式。种植体的抗压强度随之显著下降，可以猜想种植体内部结构已发生改变。本研究的结果证实了这一猜想。通过组织学观察和电子探针分析证实，组织渗透入种植体内部随后有新生骨组织生成。因此，宿主组织渗透入CFRC种植体内更大程度的将种植体固定在骨周围。为了描述CFRC植入物与宿主组织之间的相互作用，必须讨论种植体周围存在的部分碳颗粒，忽略组织切片时产生的碳颗粒。因为骨与植入物的摩擦作用和CFRC的相对脆性，种植体附近的积碳也可能是表面碳颗粒在植入过程中分离造成的。虽然很多学者15,16,25已经报道过宿主组织与碳碎片间的剧烈反应，以及

20、碳种植体释放的碳粒子周围异质人体细胞的存在，但我们的实验证实聚集态和粒状碳种植体材料都具有生物相容性。观察是否有炎症反应，并不是观察植入部位是不是有游离的碳粒子存在。这一观察与一些其他研究1,3,13结果相一致，宿主组织对碳颗粒有很好的容忍性。一些作者报道在淋巴结或其他实质器官中发现了碳粒子的存在。3,26,27我们的实验中并未证实这一结论。不足7m的碳颗粒可以被血液携带沿淋巴管分散，28而我们未在淋巴结中观察到碳颗粒，可能是由于释放的碳颗粒太大不能通过淋巴管的运输通道。与脾脏和淋巴结的观察结果一致，CFRC植入后并没有对生物产生系统的影响。在本实验条件下，进一步证明了该材料的生物相容性。应该

21、强调的是，所有表征组织对CFRC植入反应的现象在所有实验组中都发生了，与材料的结晶度和孔隙度无关。最后，骨内植入后CFRC植入体的重塑结果是，一种包含碳纤维，基体碳，骨组织的新型复合材料在种植体内部从新生成。结 论CFRC并非完全的生物惰性材料。然而，研究并未发现其与宿体组织发生离子交换。我们并不清楚复合材料中的基体以何种方式被组织替换，可能是复合材料基体局部降解的结果。本实验在特定条件下证实了CFRC种植体的生物相容性，这是通过宿主组织对种植体内部的部分填充来表现的。通过与CFRC种植体内部和外部直接接触重新生成骨组织。本实验选用了不同结晶度和孔隙率的种植体，均为对实验现象产生影响。研读了欧

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