具有促成骨活性的PLGATCPMg复合多孔支架修复骨缺损研究

1、具有促成骨活性的PLGA/TCP/Mg复合多孔支架修复骨缺损研究 激素性骨坏死是临床上为治疗某些免疫性疾病(如严重急性呼吸系统综合症、获得性免疫缺陷综合征)或抢救生命的需要长期大量使用激素而引起的常见骨科疾病。近年来,激素性骨坏死的发病率呈逐年上升趋势,是非创伤性骨坏死的首位。 在临床上,髓芯减压术是早期干预及治疗激素性骨坏死的重要措施,该手术可减小坏死区骨内压力,使坏死区重新获得血供,从而促进骨修复。髓芯减压术后如何填充遗留的骨缺损,增加手术部位力学强度,防止骨塌陷的发生,是治疗的关键。 自体骨填充骨缺损是骨移植的金标准,但供体不足、二次损伤、并发症的出现以及免疫排斥等问题制约着其在临床的应

2、用。近年来,随着各学科的发展,组织工程支架材料性能的研究得以不断地深入,利用组织工程支架材料修复骨缺损成为研究的热点。 组织工程学是结合细胞生物学和材料工程学构建损伤组织或器官的功能性替代物的学科。良好的骨组织工程支架材料应具备以下特性:(1)能满足细胞迁移、增殖、代谢及血管的长入的三维多孔结构;(2)良好的生物相容性且降解产物无毒、不致畸;(3)与骨生长速度相匹配的降解速度;(4)与骨组织相匹配的力学性能;(5)良好的促成骨性和骨诱导性;(6)适合细胞附着、增殖和分化的材料-细胞界面。 目前研究的骨组织工程支架材料包括无机材料、天然高分子材料、合成高分子材料及复合材料等几大类。其中复合材料是

3、将两种或两种以上材料按一定比例优化组合,制备出集合多种材料优点的材料。 聚羟基乙酸-羟基丙酸共聚物(PLGA)具有良好的生物相容性、可塑性高,是经批准的用于人体的生物医用材料。其缺点在于细胞黏(FDA)美国食品药品管理局附性能差、力学强度低、酸性降解产物造成局部细胞炎症。 -磷酸三钙(-TCP)在具有良好的生物相容性,促成骨作用明显,但其脆性大,柔韧性不够,降解性能不易调节。镁(Mg)金属具有良好的生物相容性、可降解、抗菌作用强,其力学强度与骨组织相匹配,具有良好的促成骨及促血管生长特性,其缺点在于降解速度过快,降解形成的碱性环境不利于细胞的生长。 PLGA/TCP/Mg复合材料则可以避免上述

4、材料单独使用时的缺陷,PLGA/TCP/Mg复合多孔支架具有良好的骨传导性、优良的生物相容性、以及与松质骨相似的力学强度,TCP与Mg降解形成的碱性环境可有效中和PLGA降解导致的酸性产物,此外,PLGA/TCP/Mg复合多孔支架来源广泛、成份简单、成本低,具有广阔的临床应用前景。本研究利用近几年新开发的低温沉积(Low-temperature deposition manufacturing,LDM)快速成型技术制备PLGA/TCP/Mg复合多孔支架材料,该方法可精确控制支架内/外部结构,其低温加工环境有利于生物活性因子的引入并实现其在多孔支架内部分散均匀且浓度分布均一,该方法进一步拓宽了生

5、物材料的选择范围。 本论文分为以下三个主要部分:第一部分:PLGA/TCP/Mg复合多孔支架的制备及其理化性能的表征。我们利用新开发的低温沉积(Low-temperature deposition manufacturing,LDM)快速成型技术制备出了可精确控制孔隙率、孔尺寸、孔分布的PLGA/TCP/Mg复合多孔支架,其孔隙率(80%)、孔径(300-500微米)、孔连通性(100%)、力学强度(弹性模量114MPa,压缩强度3.2MPa)等结构功能参数满足骨组织工程材料的结构需求。 此外,研究表明支架镁含量为15%的PLGA/TCP/Mg复合多孔支架的力学强度接近。第二4-12MPa)压

6、缩强度20-500 MPa,弹性模量(与天然松质骨的力学性能部分:PLGA/TCP/Mg复合多孔支架的体外生物安全性评价。 我们研究了镁离子浓度对鼠前成骨细胞系(MC3T3-E1)的细胞毒性耐受范围,结果表明镁离子浓度为800ppm是对MC3T3-E1细胞造成毒性的临界值。随后我们按照国际标准ISO 10993-5,按照参考文献对稀释一定倍数的PLGA/TCP/Mg复合多孔支架浸提液进行体外细胞毒性检测,研究表明,将1h至7天的支架的浸提液稀释十倍后对MC3T3-E1细胞毒性评级为0-1级,评价结果为安全合格。 第三部分:PLGA/TCP/Mg复合多孔支架修复家兔激素性骨坏死模型髓芯减压后骨缺

7、损。我们利用家兔股骨远端激素性骨坏死模型为动物模型观察,采用计算机断层扫描(Micro-CT)、组织切片、生物力学测试等方法检测PLGA/TCP/Mg复合多孔支架体内修复骨缺损的效果,并利用动态灌注磁共振成像(MRI)、离体新生血管评价等方法检测PLGA/TCP/Mg复合多孔支架体内促进血管生成的效果。 Micro-CT结果显示在支架植入兔股骨远端12周后含镁支架组(PTM)骨缺损部位与新生骨量正相关的骨组织参数(BV/TV,Tb.N,Conn.Dn)显著大于对照组(p0.05,n=8),与新生骨量负相关的骨组织参数(Tb.Sp)显著低于对照组(P0.001);MRI数据显示,在骨缺损部位含镁支架组血液灌流量显著大于PLGA/TCP复合多孔支架组及对照组(p0.05,n=3),新生血管数量及体积高于对照组。这些结果表明PLGA/TCP/Mg复合多孔支架能促进骨缺损区域新生骨的生成及血液的供应。 此外,含镁支架PLGA/TCP/Mg植入兔体内后未引起镁离子的上升,肝肾功能指标正常,该结果表明含镁支架植入体内安全无毒害。综上所述,本研究利用低温沉积快速成型技术制备出的PLGA/TCP/Mg复合多孔支架材料理化性能满足骨组体内实验表明其促血管生,体内外安全性评价