矿化蚕丝基骨材料修复兔桡骨节段性骨缺损

           作者：　李战春　俞兴　张新　徐林      '

【关键词】  骨缺损

    摘要：［目的］探讨仿生制备矿化蚕丝基骨材料在修复兔节段性骨缺损中的作用。［方法］骨缺损模型的设计为：在兔双侧桡骨上各做一个大约15 cm的骨缺损,在一侧植入矿化蚕丝基骨材料,另一侧作为对照,未植入任何材料。观察时间阶段为术后4、8、12周。［结果］在术后4、8、12周，分别行大体观察、放射线,组织学切片观察骨缺损的愈合情况。术后12周植入矿化蚕丝基骨材料的一侧兔桡骨缺损完全愈合。对照组缺损处未见骨愈合。［结论］矿化蚕丝基骨材料是比较理想的骨缺损的替代材料。

　　关键词：矿化蚕丝基骨材料；骨缺损；仿生合成

　　Mineralized silkfibroin nanocomposite to repair segmental bone defect of rabbit radial

　　　Abstract：［Objective］Using mineralized silkfibroin nanocomposite to repair segmental bone defect of rabbit radial［Method］A 15 cm long defect on each bilateral radius of matured male rabbits was madeOn the left,bone defects were grafted with mineralized silkfibroin nanocomposite;the right radius,as a control group,defects were emptyIn the end of the 4th,8th,12th weeks after surgery,the grafts were harvested and tested by gross observation,Xray and histological examinations［Result］All Bone defects with mineralized silkfibroin nanocomposites healed,histological examination showed that most of nanocomposites were absorbed and substituted by matured new bonebut the defects of control group had not healed［Conclusion］Mineralized fibroin nanocomposite is a kind of very ideal substitute material for bone defect

　　Key words：Mineralized silkfibroin nanocomposite;  Bone defect;   Biomimetic synthesis

　　骨组织修复是一项重大的医学难题，多年来临床应用的骨修复技术主要采取自体或异体骨移植〔1、2〕。但由于数量和价格的限制，大部分患者得不到应有的，近数10年来，人们通过各种方法、途径，制备出许多用于骨修复的替代材料，并取得了一定的成绩。尤其是近年来起来的骨组织工程，前景十分可观。对于人骨这样的器官，如果能够研制一种可以替代正常骨组织的人工骨材料，而且成本较低,将满足更大的社会需求。仿生制备纳米晶胶原骨材料是制备优异骨替代材料的一种有希望的途径，已经在临床应用，并得到认可。在仿生的思路下和以往胶原-钙磷盐(CPC)复合材料的基础上，作者制备了一类新型的纳米复合材料用于骨缺损修复。而且用成本较低的蚕丝蛋白代替胶原蛋白进一步降低了材料的成本，也避免了提取胶原蛋白本身所带来的成本大、耗材多,同时避免了传染性疾病传播的可能如爱滋病、疯牛病等。

　　1 材料和方法

　　11  骨材料的制备

　　模拟生物矿化过程，以蚕丝分子为模板，沉积磷酸钙矿物，得到成分、微观结构与天然骨相似的蚕丝／纳米羟基磷灰石复合物粉末。使用NaCI为造孔剂，氯仿为溶剂或1，4二氧六环为溶剂和造孔剂制备多孔材料。制备流程工艺如下:（1）取4 g聚乳酸(分子量100 000)，溶于50 ml 1，4二氧六环，搅拌12 h，使聚乳酸完全充分溶解，配成8％的溶液。（2）称取4 g丝蛋白/HA复合材料的粉末，加入到上述溶液中，用玻璃棒搅拌均匀后，超声清洗，排除气泡。（3）将经过（1）、（2）两步处理的混合体系导入模具，冰冻后进行冷冻干燥，即得样品。

　　通过以上工艺，作者可以得到孔隙率大于85％、孔径尺寸在150～250 μm左右，强度为1~2 MPa的新型骨材料。从其扫描电镜照片（图1）中可以看出材料整体孔径分布比较均匀，孔壁较薄，孔洞之间是互相连通的，这样的结构对营养物质的输运和细胞的迁移是十分有利。作者比较了消毒前后材料特性与原来的材料一致，而且材料与正常人骨的机械和物理性能相仿，是一种可以作为骨材料的理想的替代产品。

　　12 矿化蚕丝基骨材料修复兔桡骨节段性骨缺损

　　121  实验动物

　　新西兰兔12只，雄性，体重3 000~4 000 g。

　　122  手术操作

　　动物麻醉:新西兰兔的麻醉用4%乌拉坦(7~8 ml/kg)耳静脉注射。麻醉生效时间是3~5 min,平均43 min。麻醉效果满意,基本满足手术要求,没有出现麻醉过量致死。手术过程：麻醉生效后将新西兰兔腹卧位,置于动物实验台上，四肢外展固定于操作台两侧。常规备皮,消毒兔双前肢,络合碘消毒皮肤，铺好无菌单，取双前肢桡骨正中切口，长约2 cm，逐层切开皮肤皮下组织、深筋膜和分离开肌肉,见骨膜,用骨膜剥离器剥离骨膜,取桡骨用电钻打孔定位,切取兔桡骨长度约15 cm，造成缺损,左前肢把骨材料塑形,并填充到缺损处,缝合骨膜,逐层缝合至皮肤。右前肢作为对照组未填充骨材料，直接缝合骨膜至皮肤，均不行内固定和外固定，术后均置于相同条件下饲养，分别于术后4、8、12周处死动物取材。

　　13 观察方法

　　131 大体观察

　　观察术后动物饮食、活动及伤口愈合情况。取材后观察缺损部位的变化,脱钙后纵向剖开观察内部结构改变。

　　132 放射学观察

　　术后4、8、12周拍摄双前肢正侧位片，条件为55 kv、50 mA、02 s，观察各组动物骨修复情况，并进行对比。

　　133 组织学观察

　　组织切片及苏木精－伊红染色(H&E)观察新骨的形成。

　　2  结果

　　21 一般情况

　　所有实验兔麻醉清醒后,未出现行为和性情的异常。术后未给予消炎药物，手术切口均一期愈合,无伤口裂开或窦道形成。观察期间内兔未死亡，骨缺损模型的肢体未出现骨折。

　　22 取材

　　术后4、8、12周,随机选择4只,立刻处死，行大体观察及双前肢X线成像后，取出植入骨材料的桡骨缺损部分,并做组织切片及苏木精－伊红染色(H&E),观察新骨的形成。

　　23  实验结果与分析

　　对照侧前肢12周内骨缺损未修复，可见断端有骨膜反应，但骨折线清晰，全部骨缺损未见愈合。而矿化蚕丝基骨材料植入4周双侧断端骨膜反映明显，纵剖面见材料形态保持，少量骨痂形成，面积小，密度低；8周后两断端有明显骨痂生长，按照植入材料的外形，材料轮廓仍存在，但出现不连续；12周后有较多的新骨痂长入骨材料内，聚合，材料轮廓逐渐崩散，骨组织已经基本代替了材料，骨外形恢复正常，髓腔已通。植入矿化蚕丝基骨材料后4、8、12周的X线片结果（图2）。组织切片示植入4周后材料边缘即有初步的骨连接，材料内部新生骨小梁随着时间的推移而增加；8周后，作者看见内有纤维结缔组织和血管长入，新生的骨小梁进入材料中间，而多孔材料中细胞聚集，在骨小梁的表面有连续的成骨细胞；12周骨组织已经基本代替了材料，髓腔已通，有更多的新生骨小梁对材料进行分割和取代。4周和12周的组织切片结果（图3）。在骨材料植入的过程中，未见明显的排异反应，材料的组织相容性较好。    

　　3 讨论

　　一种理想的骨组织工程材料应具有的理想特征包括〔3〕:具有适合使用的机械和物理性能；良好的生物相容性、生物可降解性;良好的骨诱导性和骨传导性；易消毒、且消毒过程材料特性不丢失；降解吸收与骨生长匹配；材料降解产物对周围组织无损害作用；在骨／移植物界面不诱导软组织生长。简言之，移植物的生物特性应与骨相似。

　　本实验材料经过实验室研究表明具有适合使用的机械和物理性能，与正常人骨的机械和物理性能相仿，且易于塑形，适合植入人体任何骨缺损部位；易消毒、消毒过程材料特性不丢失。

　　从上述实验当中显示，材料植入后，未见明显的异体排斥反应，而且吸收较好。骨缺损处植入材料后，多孔结构又有利于结缔组织及微血管的长入，在一定程度上起到修复缺损的作用。材料界面与骨结合紧密，生物相容性良好，并且随着植入时间的延长可逐渐降解并被新生骨爬行替代，与骨整合为一体，在常规骨折愈合时间内达到了骨愈合，可与自体骨相媲美。说明材料有良好的生物相容性、生物可降解性，良好的骨诱导性和骨传导性；降解吸收与骨生长匹配；材料降解产物对周围组织无损害作用，未出现明显的排异反应。

　　实验中的空白对照说明不植入材料的情况下实验动物兔是无法自行修复骨缺损的。而矿化蚕丝基骨材料则由于有显著的骨诱导能力，不仅使接触正常软组织的边缘部分迅速形成骨连接，而且随着结缔组织的长入，逐渐形成软骨、类骨基质，进而生成骨小梁。这说明促进新骨的形成也是加速材料自身的降解的一个重要措施。从成骨过程来看，材料内部骨小梁的形成明显慢于边缘，因此进一步摸索在制备材料的同时加入活性因子，并形成梯度分布是很有意义的。对于大尺寸的骨缺损而言，植入整块的材料还是植入小尺寸的颗粒材料，还有待进一步比较。

　　植体表面及内部被吸收后，伴随有新骨的沉积，这一现象类似骨组织的重塑过程，可使矿化蚕丝基骨材料植体整合入活体骨的新陈代谢中并最终为自身骨组织所取代。而且新生骨塑形好，能单独应用修复骨缺损，所以说矿化蚕丝基骨材料可以代替自体骨。

　　这一结果在临床上的应用意义重大，尤其在病人缺损尺寸过大，自体骨量不够时，用此材料作为补充，仍然可以达到自体骨愈合的标准。

　　：

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