【摘要】：背景 目前用于臨床骨折、骨缺損治療的生物材料主要有金屬材料、可降解高分子聚合物以及自體骨、異體骨自然骨等。鈦合金、不銹鋼等金屬材料由于腐蝕及磨損等原因會在體內(nèi)釋放大量毒性離子及碎屑，導(dǎo)致過敏反應(yīng)、致癌作用；其彈性模量遠高于正常骨，造成應(yīng)力遮擋效應(yīng)并導(dǎo)致植入物周圍骨質(zhì)疏松甚至再次骨折；骨折愈合后，需二次手術(shù)取出內(nèi)固定材料，給患者帶來額外的痛苦以及經(jīng)濟上的負(fù)擔(dān)�？山到飧叻肿泳酆衔锶缇廴樗幔≒LA）等力學(xué)性能較差，降解速度不可控，力學(xué)性能衰減迅速，降解產(chǎn)物有炎性刺激作用，可導(dǎo)致延遲組織愈合。用于骨缺損治療的自體骨數(shù)量有限；異體骨價格昂貴，還存在免疫排斥、成骨活較差的缺點。近年來，鎂及鎂合金作為一種金屬可降解材料引起了越來越多的關(guān)注。鎂及其合金具有活躍的化學(xué)性能，能夠在生理環(huán)境下以電腐蝕的方式自然降解，產(chǎn)物鎂離子是人體必需金屬元素之一；鎂合金的彈性模量更接近自然骨，有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)；鎂還具有誘導(dǎo)成骨，促進骨折的愈合作用。在眾多種類的鎂合金中，擠壓態(tài)鎂合金ZK60在體外實驗中表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性及生物相容性；微弧氧化表面處理（micro-arc oxidation，MAO）是提高鎂合金抗腐蝕性的方法之一，在體外實驗中表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性和血液生物相容性；二者目前均缺乏體內(nèi)研究的報道。目前可降解鎂合金的體內(nèi)研究多集中在皮質(zhì)骨釘?shù)慕到庋芯�，但缺乏統(tǒng)一的動物模型標(biāo)準(zhǔn)，鎂合金材料的優(yōu)劣無法進行比較；此外由于皮質(zhì)骨密度大、強度高、血運較差，且不能完全包埋實驗材料，不能客觀評估材料的降解特性及生物相容性，觀察鎂合金材料在松質(zhì)骨降解的體內(nèi)研究更有意義�；谏鲜鲈颍狙芯恐铝τ诮⒂糜诳山到怄V合金松質(zhì)骨內(nèi)降解的簡便、統(tǒng)一、有效的小動物實驗?zāi)Ｐ停ㄟ^模型研究MAO-ZK60鎂合金的體內(nèi)降解行為，并以臨床使用的PLLA作對照，評估MAO-ZK60的成骨性能及生物相容性。具體實驗內(nèi)容分為如下三個部分：第一部分可降解鎂合金填充松質(zhì)骨缺損的動物模型建立 目的 建立簡便、統(tǒng)一、有效的可降解鎂合金材料填充股骨遠端松質(zhì)骨缺損的大鼠模型。 方法 將5只雄性SD大鼠右側(cè)股骨遠端的Micro-CT掃描結(jié)果導(dǎo)入分析軟件進行三維重建，設(shè)置松質(zhì)骨缺損圓柱體興趣區(qū)（Region of interest，ROI）圓心為內(nèi)上髁最高點，長軸與通髁線重合，調(diào)整并記錄ROI的最大直徑及最大長度以確定缺損區(qū)的大小。制備實驗材料：MAO-ZK60、ZK60及左旋聚乳酸骨釘（poly-L-lactic acid，PLLA）。將實驗材料植入大鼠缺損區(qū)，評估模型構(gòu)建效果。 結(jié)果 根據(jù)圓柱體ROI測量結(jié)果，結(jié)合PLLA的商品規(guī)格及方便手術(shù)操作，選定骨缺損造模區(qū)沿通髁線方向，尺寸為Φ2×6mm。根據(jù)造模區(qū)大小制備相同規(guī)格的實驗材料并將實驗材料分別植入3組、每組6只大鼠模型中，手術(shù)操作簡便，定位及填充物植入容易，可重復(fù)性好。術(shù)后2周Micro-CT掃描顯示1例因骨缺損區(qū)靠前而導(dǎo)致植入材料外露，，其余內(nèi)植材料完全包埋于大鼠股骨遠端松質(zhì)骨中，且固定牢靠無位移，周圍未出現(xiàn)骨折。造模成功率94.44%。結(jié)論 可降解鎂合金填充松質(zhì)骨缺損的大鼠模型造模過程操作簡便，成功率高，術(shù)后觀察中模型穩(wěn)定，是研究可降解鎂合金體內(nèi)降解的良好載體。 第二部分微弧氧化表面處理對ZK60鎂合金抗腐蝕性影響的體內(nèi)研究 目的 研究ZK60鎂合金在大鼠松質(zhì)骨的體內(nèi)降解行為及MAO的保護作用。 方法 將Φ2×6mm的MAO-ZK60及未表面處理的ZK60鎂合金，按照第一部分方法，植入2組每組6只SD大鼠右側(cè)股骨遠端松質(zhì)骨缺損區(qū),術(shù)后當(dāng)天、2周、4周、8周及12周進行活體Micro-CT掃描，術(shù)后26周取材并對樣本進行Micro-CT掃描。對掃描結(jié)果進行三維重建，分析不同時間點材料外形變化。通過測量不同時間點材料剩余體積，計算材料的降解率，用統(tǒng)計學(xué)方法比較兩組間差異。 結(jié)果 術(shù)后2周發(fā)現(xiàn)兩種材料表面均出現(xiàn)降解，隨植入時間延長范圍逐漸擴大，8周時材料主體已不完整。MAO-ZK60在12周和26周分別降解了初始體積的60.8%和73.3%，ZK60分別降解了72.3%和85.0%。MAO-ZK60與ZK60的降解率隨著植入時間的延長逐漸降低，且MAO-ZK60組的降解率明顯低于對照組。植入26周后MAO-ZK60和ZK60的降解率分別為0.58±0.05mm y-1和0.67±0.04mm y-1，微弧氧化處理可以降低ZK60鎂合金約13.8%的降解率。 結(jié)論 ZK60材料在松質(zhì)骨內(nèi)表現(xiàn)出良好的降解性，降解率隨著植入時間逐漸下降。微弧氧化表面處理能明顯降低ZK60的體內(nèi)降解率，表現(xiàn)出良好的保護作用。 第三部分微弧氧化表面處理的ZK60鎂合金體內(nèi)成骨性能及生物相容性研究 目的 研究MAO-ZK60鎂合金的體內(nèi)成骨性能及生物相容性 方法 將Φ2×6mm的MAO-ZK60、ZK60鎂合金以及PLLA，按照第一部分方法，植入3組SD大鼠右側(cè)股骨遠端松質(zhì)骨缺損區(qū)，于術(shù)后2周、12周、26周對植入?yún)^(qū)進行Micro-CT掃描，觀察植入材料周圍松質(zhì)骨反應(yīng)情況。術(shù)后26周取材后，將樣本進行不脫鈣骨標(biāo)本制備，分別進行組織學(xué)分析和元素分布分析，觀察新骨生成情況并分析成骨原因。于術(shù)前、術(shù)后2周、12周、26周檢測血清離子濃度、肝功能、腎功能指標(biāo)。術(shù)后26周對心、肝、脾、肺、腎等重要內(nèi)臟器官組織進行病理學(xué)觀察。 結(jié)果 Micro-CT掃描2D橫斷面顯示：術(shù)后2周兩組鎂合金材料周圍均因松質(zhì)骨壞死溶解出現(xiàn)氣體空腔；26周兩種鎂合金材料周圍均出現(xiàn)一層較厚的高密度鞘，考慮為新生骨；PLLA在以上三個時間點均與周圍骨組織緊密連接，無氣腔產(chǎn)生，周圍可見少量新生骨痂。組織學(xué)觀察可見兩組鎂合金周圍均有大量新骨生成，新骨與材料連接不緊密；PLLA周圍被結(jié)締組織包繞，外周可見少量骨痂，材料內(nèi)部未見骨組織長入。元素分布圖顯示：殘余MAO-ZK60材料周圍可見明顯Ca、P元素濃聚區(qū)，提示新骨的生成；PLLA植入?yún)^(qū)無明顯Ca、P元素濃聚區(qū)。三組大鼠肝功能指標(biāo)GOT、GPT部分值超出參考范圍，但三組各時間點間無統(tǒng)計學(xué)差異；血清K離子均高于參考范圍，但三組各時間點無統(tǒng)計學(xué)差異；其余檢測結(jié)果均在參考值范圍內(nèi)。三組大鼠的心、肝、脾、肺、腎組織病理學(xué)觀察均未見明顯異常。 結(jié)論 與PLLA相比，MAO-ZK60與ZK60鎂合金材料均表現(xiàn)出良好的骨誘導(dǎo)、骨傳導(dǎo)活性；雖然植入早期有溶骨現(xiàn)象出現(xiàn)，但大鼠肝、腎功能及血清離子濃度無明顯影響，對重要內(nèi)臟器官亦無損傷，表現(xiàn)出了良好的生物相容性。
【圖文】：

圖 2 MicroView2.1 分析軟件1.3 Micro-CT 對大鼠股骨遠端松質(zhì)骨缺損興趣區(qū)的測量大鼠在性成熟后骨骼繼續(xù)發(fā)育（骨骺不閉合），參考大鼠的這一生長發(fā)育規(guī)律，結(jié)合我們的實驗要求和目的，選擇 2 月齡左右大鼠進行實驗。將大鼠用戊巴比妥鈉（1%）腹腔注射（1ml/200g）麻醉，用 Micro-CT 機對大鼠右側(cè)股骨下段進行掃描，并將掃描所得連續(xù)圖像導(dǎo)入 MicroView2.1 軟件進行分析。調(diào)整圖像使 Z 軸與通髁線平行，設(shè)置興趣區(qū)（Region of interest，ROI）為圓柱體，設(shè)置與 Y 值相等使橫截面為正圓形，設(shè)置單位為 mm。為方便術(shù)中定位，我們調(diào)整圓柱體 ROI 以內(nèi)上髁最高點為圓心，長軸與通髁線重合，調(diào)整直徑及長度的大小使其在不同矢狀層面均位于松質(zhì)骨內(nèi)，記錄圓柱體的最大直徑及最大長度。該操作分別由 3 人獨立完成，取平均值。如圖 3 所示，a、b、c 分別為經(jīng)股骨外側(cè)髁髁間窩、內(nèi)側(cè)髁矢狀位圖形及松質(zhì)骨缺損選區(qū)的位置（黃色 ROI）。

圖 3 大鼠股骨遠端 3D 重建圖形及松質(zhì)骨缺損選區(qū)的位置2. 結(jié) 果1 松質(zhì)骨缺損 ROI 的測量結(jié)果5 具 2 月齡 SD 雄性大鼠右側(cè)股骨遠端的松質(zhì)骨缺損 ROI 測量結(jié)果：以通為長軸，最大半徑為（2.42±0.19）mm，最大長度為（6.32±0.32）mm，見表據(jù)實驗要求，結(jié)合本課題所選用的對照組材料左旋聚乳酸骨釘（poly-L-lacid（PLLA），SMART pins，Linvatec；Conmed Corp.，Largo，F(xiàn)L）的臨床使格，我們選擇 Φ2×6mm 作為松質(zhì)骨缺損區(qū)的尺寸。
【學(xué)位授予單位】：中國人民解放軍醫(yī)學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R318.08

【參考文獻】

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