生物玻璃羟基磷灰石复合涂层促进骨生长的初步研究

生物玻璃羟基磷灰石复合涂层促进骨生长的初步研究

1生物玻璃/羟基磷灰石复合涂层用阳离子石蜡膏治疗核电站的人工关节体已经使用了很长时间。结果表明，该涂层可以改善钛合金体的生物特性，促进体与骨的结合。但等离子喷涂导致的羟基磷灰石分解和涂层结合强度不高限制了植入体在体内的使用寿命,使目前假体的使用寿命一般在15年左右。前面研究显示,采用热膨胀系数与钛合金接近的生物玻璃作为过渡层,在低温烧结条件下制备的生物玻璃/羟基磷灰石复合涂层可改善涂层与钛合金的结合,提高结合强度。同时,低温烧结不会导致羟基磷灰石的分解、生物玻璃的析晶和钛合金金相结构的变化。体外实验证明该涂层良好的生物活性和细胞相容性。涂层的最终目的是在体内促进植入钛合金与骨的结合,提高其生物固定性能。在本实验中,研究了该生物玻璃/羟基磷灰石涂层在兔子体内与骨之间的结合与生物反应,为涂层的临床应用做好前期准备。2材料和方法2.1生物玻璃/羟基磷灰石复合涂层的制备如图1所示的钛合金(Ti6Al4V)表面经过喷砂粗化处理后清洗干净。Ca-Si-B-P基生物玻璃粉体与羟基磷灰石粉体按0∶10、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5的比例混合,依次喷涂于钛合金表面,烧结制得生物玻璃/羟基磷灰石梯度复合涂层样品备动物实验使用。2.2羟基磷灰石/钛合金复合涂层的制备选用新西兰雄兔,体重约2Kg,消毒后麻醉,在其股骨位切口,采用3mm的不锈钢钻在股骨近关节处钻孔,然后把涂好的样品植入,采用等离子喷涂羟基磷灰石涂层的钛合金样品和无涂层的钛合金样品作为对照,每组采用6个试样,术后缝合,然后饲养2,4,12,24周。2.3连续注射3天麻醉清醒后不限制活动,手术后每日一次肌肉注射40万单位青霉素和4万单位庆大霉素,连续注射3天。术后2周和12周进行X-射线检查,观察植入体位置、稳定性及周围骨生长情况。2.4样品的制备和清洗饲养到期的兔子被处死,取出带植入体的股骨,在中性甲醛溶液(4%)中固定4天,然后冲洗干净。采用80%,85%,90%,95%和100%的乙醇梯度脱水,最后在甲苯中浸泡4小时。处理好的样品采用聚甲基丙烯酸甲酯进行包埋,固化后进行切片。切片方向沿垂直于植入体轴向方向,切片厚度约为100m,打磨成60m的薄片后进行表面抛光,超声清洗。处理好的切片采用苦味酸-品红溶液染色,在光学显微镜下观察界面愈合、骨沉积及界面骨整合情况。2.5扫描电子观察切片经乙醇梯度脱水后,最后采用醋酸异戊酯置换,在临界点干燥。处理好的切片采用扫描电镜(SEM)进行观察。2.6骨接触率和骨组织形态的测量每个样品取3个切片,采用Bioquant软件对组织进行形态计量。计算骨接触率和凹槽内骨长入量,计算公式如下:2.7统计分析结果中的数据为统计平均值,<0.05为具有显著差异。3试验结果3.1涂层与骨的感染从图2的X-射线图中可以看出,生物玻璃/羟基磷灰石涂层钛合金植入体在体内与骨结合良好,没有松动和滑脱,也未见感染现象,在涂层与骨周围没见放射透亮区。3.2植入体植物的组织结构图3、图4、图5分别为生物玻璃/羟基磷灰石涂层、等离子喷涂羟基磷灰石涂层和无涂层的Ti6Al4V钛合金植入体切片的苦味酸-品红染色后的组织学照片。结果显示,在植入2周后,三种植入体周围和凹槽内都有编织骨形成。在生物玻璃/羟基磷灰石涂层植入体周围骨较密集,在凹槽内可见贴壁生长的骨质。钛合金植入体的骨主要集中在凹槽的开口处,在外围还可看见明显的纤维组织。到4周时后,各组植入体周围骨逐渐转变成板层骨,大多数集中在植入体壁上,每组植入体周围骨与假体的接触长度都在变长。生物玻璃/羟基磷灰石涂层植入体凹槽内骨量没有明显变化,而等离子喷涂羟基磷灰石涂层和Ti6Al4V植入体凹槽内骨量明显减少。12和24周后,各组植入体周围骨接触长度都在变长,骨组织完全生长成为板层骨。生物玻璃/羟基磷灰石涂层植入体凹槽内仍存在一定量的骨组织,而等离子喷涂羟基磷灰石和Ti6Al4V植入体凹槽内骨量则进一步减少。在整个实验阶段中,经过切片打磨和抛光处理后,生物玻璃/羟基磷灰石涂层与钛合金基体仍紧密结合,其结合界面上未发现裂痕出现,而在4周的等离子喷涂羟基磷灰石植入体的切片上,却可观察到涂层与钛合金基体脱离的现象,如图4B中的箭头所示。3.3骨与植入体的结合图6为植入12周后植入体截面切片的高倍扫描电镜照片,从该图中可以看出骨与植入体结合的细节。生物玻璃/羟基磷灰石涂层和等离子喷涂羟基磷灰石涂层都与骨结合紧密,结合界面上未见缝隙,而Ti6Al4V合金与骨的结合界面上却存在一条明显的缝隙。3.5植入时间的延长图7为各植入体在植入不同时间段后与骨的接触率比较。从图中可以看出,各植入体与骨的接触率随植入时间的延长在不断上升。在植入2周和4周后,三种植入体与骨接触率之间没有明显差异。植入12周和24周后,生物玻璃/羟基磷灰石涂层植入体与骨的接触率要明显高于等离喷涂羟基磷灰石涂层和Ti6Al4V植入体,而等离喷涂羟基磷灰石涂层和Ti6Al4V植入体之间却没有明显差异。3.6生物玻璃/羟基磷灰石涂层植入体表面形态图8为各植入体在植入不同时间段后凹槽内骨长入量的比较。与骨接触率不同的是,等离子喷涂羟基磷灰石涂层和Ti6Al4V植入体凹槽内骨量随植入时间的延长在迅速下降,在各个植入时间段,二者之间没有明显差异。生物玻璃/羟基磷灰石涂层植入体凹槽内骨则显示出完全不同的生长情况。在植入2周时,其凹槽内骨量与对照组没有明显差异,但植入4周后,其凹槽内骨量并没有发生显著变化,在植入12周后,其凹槽内骨量达到最高,植入24周后,凹槽内骨量略有下降,但仍高于2周和4周时的骨量。4生物玻璃/羟基磷灰石涂层的生长和诱导作用作为骨替代植入物,其成功与否的关键就是其与骨的结合状况。钛合金作为一种已成功在临床上运用的骨替代材料,其生物相容性已得到验证。但钛合金是一种生物惰性材料,其与骨不能直接结合,其在体内与骨之间的固定是一种形态固定,依赖于骨与钛合金之间的机械咬合。同时由于弹性模量的差异,容易在界面诱发纤维组织的生长,影响其与骨的结合。羟基磷灰石具有和骨无机成分一样的组成,在体内可与骨之间达到分子水平的化学键合,与骨形成骨键合固定。因此羟基磷灰石被制备成涂层在钛合金表面来改善植入体与骨的结合状态,等离子喷涂羟基磷灰石涂层也在临床上得到广泛使用。在本实验中,虽然在骨接触率,凹槽内骨长入量,甚至低倍光学照片上不能观察到二者的差异(除了在2周Ti6Al4V植入体切片上观察到纤维组织外),但从高倍SEM照片上可观察到二者与骨结合状态的显著差异。骨组织与羟基磷灰石涂层之间结合紧密,而与Ti6Al4V合金之间却存在明显的缝隙。无论是钛合金还是羟基磷灰石,其都只具有骨传导作用,骨只能沿其表面和缝隙爬行生长。因此,在没有传导介质的凹槽中,手术导致的碎骨不断被吸收,导致凹槽内骨量不断下降。自70年代初生物玻璃被发明以来,其性能已得到深入的研究,并在临床上得到了应用。研究结果显示,生物玻璃能通过表面形成的一层类骨羟基磷灰石与骨形成生物键合,与此同时,其释放的Si离子还能促进骨细胞的增殖[11~13]。除骨传导作用外,生物玻璃还具有骨诱导作用,其能在非骨部位(如皮下和肌肉组织)诱导骨的形成。生物玻璃/羟基磷灰石涂层表面为生物玻璃与羟基磷灰石的复合体,两种材料都具有与骨键合的能力,在结合界面上,生物玻璃/羟基磷灰石涂层与骨结合良好,没有发现裂纹。除此之外,生物玻璃还具有刺激骨生长和诱导骨形成的能力。因此,在生物玻璃/羟基磷灰石涂层植入体周围,新骨的生长速度要高于两组对照,使其骨接触率明显提高。在凹槽内,生物玻璃析出的离子支持了碎骨的生长,凹槽内骨继续生长,骨量不降反升。但当植入24周后,凹槽内骨量略有下降,最可能的原因是随着植入时间的延长,涂层中玻璃离子释放速度下降,使新骨的生长速度下降,在凹槽内的骨没有攀附基体,骨吸收速度快于生长速度,从而导致骨量下降。由于采用的是热膨胀系数与钛合金接近的生物玻璃作为涂层的过渡层,生物玻璃/羟基磷灰石涂层与钛合金结合良好,在整个植入期间,虽然切片经过切割、打磨和抛光处理,在生物玻璃/羟基磷灰石涂层和钛合金的接触界面上,都没有裂纹出现,而等离子喷涂羟基磷灰石涂层植入体4周的切片中,涂层与钛合金结合界面上,却可以看见明显的裂纹。5羟基磷灰石涂层通过对生物玻璃/羟基磷灰石涂层、等离子喷涂羟基磷灰石涂层和无涂层的Ti6Al4V合金植入体在兔子体内植入切片的观察和分析,可以得出以下结论:(1)生物玻璃/羟基磷灰石涂层、等离子喷涂羟基磷灰石涂层和无涂层的Ti6Al4V合金都具有良好的生物相容性,在植