人工关节金属磨损颗粒体外制备分离方法的实验研究

1、人工关节金属磨损颗粒体外制备别离方法的实验研究【摘要】设计一种体外制备、别离人工关节金属磨损颗粒的方法，并验证这种颗粒用于医学实验的可行性。方法用钛铝钒合金、钴铬钼合金材料分别制成球磨罐(国家创造专利，申请号：03142073.7),球磨罐内装有用同种材料制成的磨块;向该球磨罐内注入模拟生物体液;震动球磨得到颗粒混悬液。梯度离心获得金属颗粒。对颗粒进展：(1)元素成分鉴定；(2)颗粒大小鉴定和粒度分析；(3)扫描电镜对颗粒的外表形态观察；(4)将颗粒与J774A.1巨噬细胞共同培养，观察细胞吞噬颗粒的情况。结果通过此方法成功产生并别离出大量直径1左右的钛合金和钴铬钼合金颗粒。(1)元素分析证实

2、整个处理过程中无杂质成分污染；(2)钛合金颗粒的平均直径Dv901.009，钴铬钼颗粒的平均直径Dv901.008，粒度分布曲线根本成正态；(3)扫描电镜图象显示颗粒大小均匀，形状多为不规那么，与体内颗粒极为相似；(4)J774A.1巨噬细胞能完好吞噬2种材料的颗粒。结论此方法能持续大量产生人工关节假体金属材料的磨损颗粒，产生的颗粒能在各方面很好地模拟体内磨损颗粒，为今后人工关节假体松动相关研究的体内、体外研究提供可靠的颗粒来源。【关键词】人工关节生物相容性材料磨损颗粒体内研究体外研究Keyrds：artifitialjint;biehanialreeptiveaterial;earparti

3、le;inviv;invitr人工关节假体晚期松动是长期困扰骨科领域的难题。长期的研究形成共识：假体材料磨损颗粒引发的由巨噬细胞介导的破骨细胞性骨吸收是假体松动的主要生物学原因1。随着各种新型生物金属材料的不断产生和人们对金属-金属人工关节假体的重新评价，细小金属颗粒在假体松动中的作用又成为了研究的热点2，3。为解决人工关节松动相关研究中颗粒来源匮乏的问题，本研究在参考Rgers4方法的根底上设计出一种体外产生生物金属材料细小磨损颗粒的方法，采用此方法成功制成了直径1的钛合金和钴铬钼合金颗粒。并对颗粒的成份、大孝形态和粒度分布进展分析观察。颗粒与巨噬细胞体外培养中观察吞噬的方法初步验证颗粒用于

4、医学实验的可行性。1材料与方法1.1颗粒制备装置的研制原料选用医用钛铝钒合金上海思爱高科技开发提供和钴铬钼合金北京力达康科技提供。采用非焊接技术制成3个中空的椭球形球磨罐1007070和立方形磨块假设干555。顶部开口处采用螺纹旋入式顶盖，加用聚乙烯的垫圈，以进步系统的密封性能，在设计上确保聚乙烯垫圈不外露于容器的内壁，以防止混入聚乙烯磨损颗粒。底部支架使磨罐能在平面放置图1、2。本装置的所有组件按ASTF86-76标准进展清洗，75%酒精浸泡，高温灭菌121、15in后备用。生物金属颗粒产生装置及别离保存方法已申请国家创造专利。创造名称：一种生物金属材料超细粉末的制备方法及其制备装置。专利申

5、请号：03142073.71.2磨损颗粒的制备、离心别离与保存无菌条件下翻开顶盖，将磨块放入球磨罐中，参加事先配制好模拟生物体液PBS+2%小牛血清+5IU/l青霉素+5g/l链霉素75l作为光滑液。装置至于摇床上，摇摆72h，弃掉光滑液，重新参加光滑液75l，摇摆21d。搜集光滑液与磨损颗粒的混悬液，加光滑液至80l待用。将钴铬钼合金混悬液80l分装在8个10l的试管中，500r/in离心2in，弃沉淀物，重新加光滑液至10l，重复2次。1000r/in离心5in，弃上清，重新加光滑液至10l,重复1000r/in离心5in1次，加光滑液至4l,-20冻存备用。将钛合金混悬液80l分装在8个

6、10l的试管中，500r/in离心4in，弃沉淀物，重新加光滑液至10l，重复2次。1000r/in离心40in，弃上清，重新加光滑液至10l,重复1000r/in离心40in一次，加光滑液至4l,-20冻存备用。1.3磨损颗粒成分元素分析随机抽样选取钛铝钒合金原料和磨损颗粒样品各一份进展元素分析。秤取0.1g原料和磨损颗粒样品，于聚四氟乙烯烧杯中，参加10lHF分析纯，加热1h，参加10lH2S4(GR),加热1h，定容于500l容量瓶中。取液进入等离子体发射光谱仪IRISAdvantage1000美国，仪器自动读出样品元素组成。1.4磨损颗粒的粒度分析1.5磨损颗粒的扫描电镜观察1.6巨噬

7、细胞培养与吞噬实验J774A.1巨噬细胞株来源于BALB/小鼠网状细胞肉瘤，由AerianTypeulturelletin.Rkville,D,USA提供，培养在含10%小牛血清、100g/l青霉素、100g/l链霉素和2%谷氨酰胺的DE培养液，于37、5%2、饱和湿度条件下培养。搜集对数生长期的细胞，以2105/l接种于6孔板中，培养46h后，参加体外制备的钴铬钼合金颗粒混悬液107个/孔，另外于35培养皿中按上述方法接种细胞，刺激24h后用2.5%戊二醛溶液固定，进展倒置相差显微镜观察。同时设置不加任何刺激物的对照孔。1.7巨噬细胞透射电镜观察J774A.1巨噬细胞分别参加钴铬钼合金颗粒混

8、悬液和钛铝钒合金颗粒混悬液107个/孔，作用24h后用2.5%戊二醛溶液固定。用橡皮刮子将全部细胞从皿底轻轻刮下，搜集在离心管中离心2000r/in20in，弃上清，将沉淀的细胞团块取出，用棉花纸包裹起来，然后进展漂洗、1%锇酸后固定15in、漂洗、脱水、浸透，将样品从棉花纸内取出进展包埋，60烘箱内48h，超薄切片，透射电镜HITAHIH-500日本观察并摄像。2结果2.1磨损颗粒成分元素分析分析结果显示：实验中获得的钛铝钒合金颗粒的元素构成与其原料根本一样表1，证实磨损颗粒的产生过程中无杂质元素污染。表1钛铝钒合金磨损颗粒的元素分析结果2.2磨损颗粒的粒度分析钛铝钒颗粒的平均直径Dv901

9、.009，99.93%的颗粒直径在0.31.2之间；钴铬钼颗粒的平均直径Dv901.008，99.93%的颗粒直径在0.31.2之间；2种颗粒粒度分布曲线形态非常相似图3、4。2.3磨损颗粒的扫描电镜观察镜下可见体外制备的钛铝钒合金颗粒呈片状、盘状、柱状、针状等各种不规那么形状，外表有低密度的血清蛋白沉积图5。未见明显的颗粒叠加和成团聚集的情况。大小颗粒在滤膜上分布不均匀，大颗粒集中在边缘上，小颗粒集中在中心部位。转贴于论文联盟.ll.体外制造的钴铬钼合金颗粒也有片状、盘状、柱状、针状等各种不规那么形状，钴铬钼合金颗粒更多为块状颗粒，是由于颗粒轻度聚集，显得体积更大图6。与体内别离颗粒对照发现

10、，颗粒的形态均非常近似，外表都有蛋白沉积。体内别离颗粒大小分布更加不均匀图7。2.4巨噬细胞培养与吞噬实验J774A.1巨噬细胞经适宜的条件培养24h后细胞生长旺盛，吞噬活性较强。倒置相差显微镜下细胞成圆形或椭圆形，细胞轮廓明晰，胞浆内无明显吞噬小体图8。与体外制备的钴铬钼颗粒共同培养24h后，镜下细胞形态发生变化。细胞密度减小，细胞肿胀成圆形，胞核变大，甚至见到细胞大片坏死，核溶解，细胞碎裂，胞浆内有被吞噬的钴铬钼颗粒影像图9。2.5培养的巨噬细胞透射电镜观察当金属颗粒接近J774A.1巨噬细胞时，细胞伸出伪足逐渐将较小的颗粒吞噬入细胞内。此时细胞开场张大，胞浆内线粒体和粗面内质网增生，表示

11、分泌活动活泼，颗粒进入细胞成为吞噬体。胞浆密度变得不均匀，有空泡样变图10。3讨论为说明假体松动的机理和对新型假体材料的生物相容性进展评价，众多学者采用体外细胞培养、组织培养、体内植入等方法对颗粒引发的生物学反响进展研究57。由于体内颗粒来源有限，国内学者常采用简单的材料对磨、过筛或承受国外赠送的方法体外获得颗粒，而国外学者采用的方法有对磨illing、金属熔体雾化aerslizatin、气化gasatizatin、激光制粉法等4。由于来源杂乱，颗粒的各项特性变异较大，使大量的实验数据因无法重复和比拟而失去实际意义。如何体外产生生物金属的颗粒并使之能很好地模拟体内颗粒是一个普遍地急需解决的问题

12、。大量的研究已经显示：磨损颗粒的物理、化学性质是影响机体反响程度和假体松动的关键因素。这些性质包括：颗粒数量、大孝粒度分布、外表积、化学元素构成、外表形态、可溶性金属离子释放、外表电荷等5。使体外生成的颗粒最大限度地模拟体内磨损颗粒是作者设计这个方法时始终坚持的原那么。3.1颗粒的产生方法人工关节周围的金属磨损颗粒可以来源于关节面、柄-骨界面、假体-骨水泥界面、臼杯-骨界面、组合式假体的柄-头结合处。从磨损机理上讲属于外表摩擦磨损，因此借鉴工业球磨的方法产生颗粒是合理的。作者自行设计的球磨罐具有以下特点：(1)采用一样的材料加工球磨罐和磨块，无焊接工艺和罐口的密封装置防止了任何其它材料参与摩擦

13、，保证了颗粒的纯洁；(2)光滑液采用PBS+2%小牛血清+5IU/l青霉素+5g/l链霉素，动物血清对颗粒进展预孵化(prEinubatin)，经蛋白孵化的颗粒的生物学行为更接近体内颗粒。在理论中作者发现，预孵化过程能在颗粒外表形成蛋白保护膜，明显减少颗粒的聚集成团现象，有利于颗粒的离心别离和电镜观察；(3)本装置的所有组件按ASTF86-76标准进展清洗，75%酒精浸泡，高温灭菌，无菌操作过程和含抗生素的光滑液都保证了颗粒无微生物和内毒素污染，这对于体内和体外医学实验是非常重要的；(4)低能量缓慢摇摆和光滑液的参加，使磨块与罐壁、磨块与磨块之间进展缓慢的摩擦，产生细小的颗粒，挑选效率进步。3

14、.2颗粒的别离方法本实验采用“梯度离心的方法对颗粒进展筛眩其原理来自于Stkes法那么：R2=9h/(2t-02n)R：颗粒半径：光滑液黏滞度h：样品高度t：离心时间：金属密度0：光滑液密度：离心角速度n：样品与旋转轴间隔 本实验中的常规变量只有和t，因此公式简化为：R2=4.5106/t(in)2(r/in)RTi2=9.0106/t(in)2(r/in)R：钴铬钼合金颗粒半径RTi：钛合金颗粒半径t：离心时间：离心角速度总之，本实验方法简单，设备要求不高，利于应用和推广。3.3颗粒的粒度测定方法传统的颗粒测定方法是在光镜或电镜下对颗粒进展直接计数，工作量大、准确度差。激光粒度仪利用测定激光

15、束穿透颗粒混悬液的散射估计出颗粒的平均体积，如假设颗粒为标准球体，那么可计算出颗粒直径。在应用中作者认为粒度仪用于人工关节颗粒分析的优势在于：测量速度快、误差孝可定量分析、操作简单，非常合适大量样本的检测与比照研究。激光粒度仪是确定颗粒大小的有效方法，但在应用中仍需注意：(1)激光粒度仪是在忽略颗粒形状差异的根底上对颗粒大小的计算和估计，所以颗粒形状对于结果有影响。光镜或电镜下对颗粒进展直接计数的方法可以弥补上述缺乏，并可以获得颗粒形态的直观资料，两者可以取长补短；(2)由于金属颗粒的密度大，在液体中沉降迅速，也给结果带来偏向。所以注意别离好的颗粒混悬液要尽快进展测定，测定前再次震荡混匀，有条

16、件时可以选取甘油等高黏度悬浮液。3.4开展方向展望随着各种新型生物金属材料的不断产生和人们对金属-金属和陶瓷-陶瓷人工关节假体的重新评价，细小金属和陶瓷颗粒在假体松动中的作用又成为了研究的热点2，3。为适应这一研究开展的需要，作者正在研究能产生更加细小金属和陶瓷颗粒直径25n左右的方法。图1钛铝钒合金球磨罐和磨块图2钴铬钼合金球磨罐和磨块图3钛铝钒颗粒平均直径Dv901.009，99.93%的颗粒直径在0.31.2之间图4钴铬钼颗粒平均直径Dv901.008，99.93%的颗粒直径在0.31.2之间图5体外人工制造的钛铝钒合金颗粒扫描电镜显示：颗粒呈片状、盘状、柱状、针状等各种不规那么形状，外表有低密度的血清蛋白沉积2000图6体外制备钴铬钼合金颗粒扫描电镜，铬钼合金颗粒更多为块状颗粒，是由于颗粒轻度聚集，显得体积更大2000图7体内别离与体外制备的钛铝钒颗粒扫描电镜比拟图7aR为体内别离颗粒图7b为体外制备颗粒。颗粒的形态均非常