氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷修复兔桡骨节段性缺损的影像学观察.doc

1、氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷修复兔桡骨节段性缺损的影像学观察作者：徐武清， 马英锋， 王倩秋， 墙华， 王荒野， 赵自强 【摘要】 目的 评价放电等离子烧结技术制备的氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷修复兔桡骨节段性缺损的效果。方法 选新西兰白兔 15 只,制作10mm 长的桡骨节段性缺损模型，分为实验组：15 个肢体，骨缺损区植入氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷人工骨材料;空白对照组：6 个肢体，骨缺损区旷置;自体骨对照组：6 个肢体，骨缺损区植入自体骨。术后1d，8、16、24 周分别进行 X 线摄片观察，运用 ImageTool 图像处理软件，进行点像素测定，24 周进行扫描电镜观察。结果 实验组：氧化铝羟基

2、磷灰石复合陶瓷人工骨植入兔桡骨缺损区 8 周即有新生骨形成,24 周材料与骨组织连接在一起，缺损区得以修复。空白组：8 周时缺损区有少量骨痂，24 周时修复缺损区约 1/2;自体骨植入组：8 周时骨断端完全被骨痂包绕，24 周时缺损区骨完全修复。像素测量结果显示三组间骨修复速度差异无统计学意义(P0.05);重复测量资料的方差分析 P=0.007，说明随着时间的延长骨组织密度增加。实验组材料两端修复界面新生骨与皮质骨的X 射线摄片像素值进行比较：术后 1d，8、16 周 P0.05，24 周P0.05。说明术后 24 周前材料两端界面在不断修复，24 周时完全修复。扫描电镜摄片示：实验组兔植入

3、材料被新骨组织环形包绕与骨组织镶嵌，皮质骨与界面骨之间形成骨髓腔;在材料表面凹陷中骨细胞环状排列形成骨单位。结论 证实采用放电等离子烧结技术制备的氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷材料能够修复新西兰兔桡骨节段性缺损，具有良好的生物活性和骨传导性。 【关键词】 羟基磷灰石类;影像学;骨缺损;兔羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)是人体骨骼的主要组成部分，人工合成的 HA 与人体骨组织中的无机成分具有相似的化学组成与结构，具有良好的生物相容性、生物活性1。羟基磷灰石复合陶瓷材料的研究报道较多2-3，但 HA 与氧化铝复合材料的研究报道较少，我们采用放电等离子烧结技术制备的氧化铝羟基磷灰石复合陶

4、瓷人工骨材料，不仅保留了 HA 的生物活性，而且在一定组分比范围内使其力学性能接近于人体骨4。现就氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷人工骨修复兔桡骨节段性缺损的影像学观察报告如下。1 材料与方法1.1 材料制备 氧化铝(纯度99.99%, TM-DAR, 大明化学工业株式会社, 日本)、羟基磷灰石Ca5(PO4)3(OH) 纯度99.9%, Merck, Darmstadt, 德国粉，按照质量比混合配制氧化铝/羟基磷灰石比例为40/60。采用行星球磨机进行混合，分别用高纯氧化铝球和无水乙醇作为球磨介质来获得分散均匀的无团聚粉体。将粉体烘干过筛后采用放电等离子快速烧结技术烧结成直径为 25mm 的圆形块体

5、材料，孔径100m100nm，孔率 50%。烧结相对密度 52.6%，断裂韧性 KIC 2.040.12 MPam1/2，抗弯强度(98.312.4)MPa。再将材料加工成直径3.0mm10mm 的圆柱体状人工骨植入体。1.2 动物模型与分组 选择清洁级新西兰大白兔 15 只， 体质量2.02.5kg，由上海斯莱克实验动物有限责任公司提供，许可证号：SCXK(沪)2003-0003。术前麻醉用 30g/L 戊巴比妥钠(上海化学试剂分装厂生产，批号 84-06-12)，30mg/kg 体质量，耳缘静脉注射麻醉，麻醉成功后剪除术肢兔毛，将动物侧卧，固定于手术台，常规消毒双上肢，沿上肢前外侧做纵行切

6、口，长 20mm，逐层切开、分离、显露桡骨，于桡骨中、上 1/3 交界处截骨，去除桡骨和骨膜，制造 10mm 长的桡骨节段性骨缺损模型。实验动物肢体分为 3 组：实验组：15 个肢体，骨缺损区植入氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷人工骨材料;空白对照组：6 个肢体，骨缺损区旷置;自体骨对照组：6 个肢体，将截下的自体骨用生理盐水冲洗后，再植入原截骨处。术后逐层缝合肌肉、皮下、皮肤体积分数为 0.75 的乙醇消毒伤口，术后常规笼中饲养，不予任何药物。于术后第 1 天，第8、16、24 周进行相应指标观测。1.3 观察指标1.3.1 一般情况与大体解剖观察 术后观察动物饮食、毛色、活动、精神状态、伤口有无肿

7、胀、分泌物等伤口愈合情况。于 8、16、24 周先行 X 线摄片，术后第 24 周无痛处死动物，在植入材料部位逐层切开皮肤、皮下组织、肌肉，观察皮肤、局部软组织愈合情况，取完整尺、桡骨观察骨缺损修复及骨端骨痂生长情况。1.3.2 X 线观察 于术后第 1 天，第 8、16、24 周 X 线正侧位摄片观察骨愈合与修复骨缺损情况，X 线摄片统一曝光条件为：电压 50kV,电流 100mA,时间 0.02s。1.3.3 像素测量 运用 ImageTool 图像处理软件，用点像素测定方法，检测术后第 1 天，第 8、16、24 周 X 线摄片。分别在材料两端界面、缺损区上下 5mm 皮质骨，均匀选 8

8、 个点，测量点像素值(灰度)，进行统计学分析。空白组，自体骨对照组选取部位相同。1.3.4 扫描电镜观察 实验组兔于术后第 24 周无痛处死后，取桡骨缺损修复部位及两端正常骨干，将标本进行磷酸盐液冲洗，25g/L 戊二醛固定后，以植入材料为中心，制作冠切面和纵切面，乙醇逐级脱水，乙酸异丙酯置换，自然干燥，喷镀金膜。扫描电镜摄片观察人工骨材料与宿主骨结合情况。1.4 统计学方法 重复测量资料采用方差分析，组间比较采用 q 检验。2 结果2.1 一般情况与大体解剖观察 各组大白兔手术过程顺利，术后一般情况良好，伤口 2 周愈合，无分泌物、无窦道，饮食、活动正常。实验组：8 周植入体材料被致密结缔组

9、织包绕，植入体与宿主骨结合牢固，推之不动，材料两端与宿主骨断端有骨痂形成，断端可见小突起。16 周断端骨痂由断端向材料中部延伸，材料与尺骨接触面骨痂形成，并逐渐向材料包绕。24 周材料被骨组织包绕，见图 1(见封 2)。空白组：8 周时骨断端及缺损区尺骨面有少量骨痂，24 周时缺损区沿尺骨面形成月牙形骨痂，修复区约 1/2，见图 2(见封 2)。自体骨植入组：8 周时骨断端完全被骨痂包绕，24 周时缺损区骨面平整，只是在断端可见骨修复痕迹，见图 2(见封 2)。2.2 X 线观察各组随着时间的推移逐渐修复缺损区，骨痂生长，骨密度增加。实验组：术后 1d X 线摄片示：缺损区清晰可见，高密度圆柱

10、状材料填充其中，骨断端及尺骨面与材料间有明显低密度间隙。术后 8 周材料两端与宿主骨断端、材料与尺骨间隙模糊。16 周时材料与宿主骨基本形成骨性结合，材料与近端骨断端皮质骨连续，与远端骨断端皮质骨连续性较差。24 周时材料与周围骨组织连接在一起，材料周围阴影模糊，骨皮质与材料连续，完全形成骨性结合，见图 3。空白对照组：术后 X 线摄片观察桡骨中段可见清晰的低密度截骨区。8 周时骨断端及尺骨面有骨痂生长，形成月牙形模糊影，16 周可见缺损区逐渐修复，24 周时也未能完全修复(见图 4)。自体骨对照组：术后 X 线片可见截骨两端清晰的低密度间隙。术后 8、16 周时近端骨断端骨连接较好，远端较差

11、，24 周时骨髓腔贯通、骨皮质连续，完全修复(见图 5)。2.3 像素测量结果手术后不同时间的像素测量值差异有统计学意义(P=0.007)。但组间比较差异无统计学意义(P0.05)，见表 1。表 1 材料两端界面不同时相像素测量结果(s)组别手术后测量时间术后 1d 术后 8 周术后 16 周术后 24 周实验组124.3346.89146.1140.79171.5231.67166.8640.09 自体骨对照141.2544.72171.3739.06181.8123.59186.5621.12 空白组97.9613.29111.918.96128.378.70151.7016.42 宁夏医

12、科大学学报 31 卷实验组动物肢体材料两端界面新生骨与皮质骨的 X 射线摄片像素值，分别在术后第 1 天、第 8 周、第 16 周差异具有统计学意义(术后1d，t=-3.492,P=0.002;8 周 t=-2.355,P=0.026;16 周 t=-2.257,P=0.032)，术后 24 周差异无统计学意义(24 周 t=-1.070,P=0.294)，见表 2。表 2 实验组材料两端界面新生骨与皮质骨像素值比较(s，n=15)组别 X 射线摄片像素测量值术后 1d 术后 8 周术后 16 周术后 24 周材料两端界面新生骨124.3346.89*146.1140.79*171.5331.

13、67*166.8640.09 皮质骨184.2647.11 176.9330.05194.1122.31180.3427.82 与皮质骨相比*P0.01,*P0.052.4 扫描电镜观察 实验组兔冠切面可见材料被新骨组织环形包绕，界面不规整，材料与骨组织镶嵌，皮质骨与界面骨之间形成骨髓腔(见图6，见封 2)。骨组织深入材料凹陷与材料界面呈齿状(见图 7，见封 2)。在材料表面凹陷中骨细胞环状排列形成骨单位(见图 8)。3 讨论采用放电等离子烧结技术制备的氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷人工骨材料具有良好的生物活性、生物相容性和骨传导性4，可以烧结成形与缺损部位相应的形状，可以通过调节氧化铝与羟基磷灰石

14、的比例、孔径、孔率使其力学性能接近受体骨力学要求，易于消毒，难以降解。虽然与理想的骨组织替代材料5-6还有差距，但是与目前已经运用于临床的钛金 HA 涂层材料比较，其力学性能完全可以替代钛金，表面直接成骨，并避免了钛金 HA 涂层溶解、剥脱的弊病7,8，具有研究价值。氧化铝羟基磷灰石多孔材料表面微孔加大了成骨面积，使新骨组织与材料连接更加牢固。由于材料未进行任何辅助固定，植入技术影响着修复质量，我们在实践中基本解决了这个技术问题9。通过大体解剖观察和连续 X 线摄片结果证实，氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷人工骨材料植入兔桡骨缺损区 8 周与宿主骨牢固结合，断端即可见新生骨痂，16 周时材料与宿主骨基

15、本形成骨性结合，材料与皮质骨连接;24 周时新骨生长良好，与皮质骨连接紧密，缺损区完全修复。24 周时空白组缺损区只有部分修复，自体骨植入组骨皮质完全连接，骨髓腔贯通，完全修复。像素测量结果显示，手术后不同时间的像素测量值随时间的延长，像素值逐渐升高，说明新生骨组织不断修复缺损区。但组间比较差异无统计学意义，P0.05。可能是三组像素测量区均为新骨修复点，所以生长速度基本相同。实验组材料两端界面新生骨与皮质骨的 X 射线摄片像素值比较显示：24 周时差异无统计学意义，而在术后 8、16 周差异具有统计学意义，说明 24 周时修复骨密度已经与皮质骨接近。扫描电镜观察显示，新骨组织包绕材料，深入材

16、料凹陷之中与材料间呈齿状界面，并观察到在材料凹陷中形成骨单位。通过本实验我们观察到氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷人工骨材料修复骨缺损的过程，即骨痂生长从骨端和尺骨侧开始，在断端可见小的骨痂突起，随着时间的推移新骨沿着材料表面向缺损区中央爬行，24 周时在材料周围形成密质骨，与骨端皮质骨连接在一起。证实放电等离子烧结技术制备的氧化铝羟基磷灰石复合陶瓷人工骨材料具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性，可以修复兔桡骨缺损，为承重骨替代材料研究提供了实验基础。【参考文献】1 吉建新，成晓玲，廖伟娇，等. 煅烧温度对纳米羟基磷灰石性能的影响J. 现代临床医学生物工程学杂志，2007，13(1)：37.2 黄

17、斌，程德军，郭明秀. 羟基磷灰石复合材料研究进展 J . 四川化工，2007，10(6)：22-25.3 刘岸平，栾春燕，张大鹏. 羟基磷灰石生物医用陶瓷材料的研究与应用J. 科技咨询导报，2007，10(18)：204-206.4 赵，徐武清，赵,等. 氧化铝羟基磷灰石人工骨与兔骨的生物相容性观察J. 中国临床康复,2006,10(37):57-60.5 孙宁宁，王绪凯.骨组织工程支架材料的研究进展J. 国际生物医学工程杂志，2007，30(4)：251.6 王永伟，张永红.骨组织工程支架材料研究进展J. 山西医药杂志，2007，36：444.7 杨梅，邵忠财，崔作兴. 钛基生物陶瓷涂层制备方法评述J. 有色矿冶，2007，23(4)：58-61.8 原辉，姚再起，杨芬. 钛表面预处理对溶胶-凝胶法制备羟基磷灰石涂层的影响J. 中国表面工程，2007，20(5)：27-29.9 马英锋，徐武清,赵，等.氧化铝/羟基磷灰石修复兔桡骨缺模型的手术方法学研究J. 宁夏医学杂志，2007，29(10)：871.