新型纳米生物活性接骨螺钉固定犬股骨髁间骨折
来源：未知 |发布时间：2018-02-09 14:15|点击:次
【摘要】目的评估纳米经基磷灰石/聚酞胺66(PA66)/玻璃纤维新型生物活性螺钉固定犬躲间骨折的效果。方法制备n-hA/PA66/GF生物活性螺钉。取24只成年中华田园犬，按随机数字表法分为2组:生物螺钉实验组和金属螺钉对照组。使用电锯将动物股骨外侧躲锯断造股骨骼间骨折，分别使用生物螺钉及金属螺钉固定骨折。术后4、8、12、24周行大体观察、组织学、Cr片、生物力学及血常规、生化检测，术后24周行肝、肾、脾组织学检测.结果2种螺钉均能有效固定犬解间骨折。术后2组动物均活动正常，切口愈合良好。术后12周CT显示2组动物躲间骨折均己骨性愈合.组织学检测发现n书AI以肠/GF螺钉表面被新生骨覆盖，新生骨不断钙化、成熟，骨盯界面结合紧密。金属螺钉与骨之间存在较大间隙，螺钉周围骨组织被1层纤维组织包裹。生物力学测试证实2组最大推出载荷在术后4、8、12周无统计学差异(P>0.05)，但在术后24周有统计学差异(P<0.05)，推出生物螺钉所需的最大载荷比金属螺钉对照组大.生物螺钉实验组术后24周碱性磷酸酶水平升高[( 58.8土14.49)UIL]，2组其余外血常规、生化均正常。2组肝、脾、’肾HE染色未见异常。结论n书A/以66/GF生物活性螺钉具有良好的内固定性能和体内相容性。
目前，我国有近千万的肢残患者需要大量的骨修复材料来帮助他们改善或提高生活质量。尽管骨组织具有再生能力，但在骨折和骨缺损时，需要有坚强的内固定器材将其固定在一个稳定的生物力学环境下，为其骨折或缺损的修复和重建创造一个良好的生物学和力学环境。最常用的医用金属材料无生物活性且弹性模量太高，易造成“应力遮挡”、骨吸收，引起骨折愈合速度和能力下降，甚至骨折不愈合，且需二次取出，加重了患者的痛苦和经济负担卑刁。纳米轻基磷灰石/聚酞胺66(n-HA/PA66)复合生物活性人工骨是由我们与四川大学联合开发出的一种新型纳米仿生复合骨修复替代材料，其形态、结构和组成上与人体骨中的磷灰石纳米针晶相似卫一。前期研究显示该材料具有良好的骨传导能力、力学特性旦及生物相容性些1，在前期动物实验中还证实其具有良好的骨缺损修复能力皿。目前临床上己应用于骨折和肿瘤切除术后的胸腰椎椎体重建」-及人工生物活性椎板重建皿等。我们希望以:n-HA/PA66为基础材料开发出一种新型不需二次手术取出的生物活性接骨螺钉，但单纯N-HA/PA66力学强度无法胜任固定骨折的要求。多次试验后发现用玻璃纤维增强PA66可获得力学性能优良的接骨螺钉。但由于引入玻纤，体系中无机成分增加，难以把复合材料中n-hA的比例提高，将影响所制备螺钉的生物活性。通过表面功能化的方法，我们在成型后的螺钉表面制备类骨磷灰石层，使其保持基体材料优良力学性能的同时兼具良好的生物活性，开发出一种新型的非降解型生物活性纳米轻基磷灰石/聚酞胺661玻璃纤维(nano-hydroxyapatire/polyamid66/glassfiher，hA/PA66/GF)螺钉。本实验通过该生物螺钉固定犬裸间骨折的疗效观察来评价其内固定性能和体内生物相容性，为进一步研究和应用提供实验依据。
材料与方法
1.1实验材料
N-HA/PA66/CF螺钉(四川大学分析测试中心提供)，高温高压消毒备用。N-ha/pa66/gf螺钉中n-hA含量为40%，玻璃纤维含量为30%。常规手术器械(江苏张家港医疗器械公司)，Φ3.5 mn，金属螺钉(天津正天医疗器械公司)，高压灭菌锅(SANYO公司，口本)，万分之一天平(岛津公司，日本)，leica2600SP硬组织切片机(Leicai公司，德国)，1600型修块机及裱片仪(leica公司，德国)，Bx5l型Olympus正置显微镜摄像仪(OLYMPUS公司，口本)，16排螺旋CT(GE公司，美国)，戊巴比妥(山东枣庄生化有限公司)，AC-IS万能材料力学试验机(岛津公司，日本)，青霉素钠(华北制药股份有限公司)，过氧化氢溶液(重庆市渝生制药厂)，4%多聚甲醛(武汉博士德生物工程有限公司)。
1.2实验动物及分组
成年健康中华田园犬24只，雌雄各半，体质量10-15kg，由重庆医科大学动物中心提供，48个犬膝关节随机分为生物螺钉实验组和金属螺钉对照组。
1.3手术方法
中华田园犬适应性喂养2周，术前禁食12h，禁水8h，按1 ml/lkg腹腔注射3%戊巴比妥钠麻醉，待麻醉显效后将犬置于仰卧位，备皮，常规消毒铺巾，于膝关节外侧做切口，逐层暴露膝关节，往膝关节内侧推开骸骨以暴露股骨内外侧骼。电锯锯断股骨外侧躲，建立股骨躲间骨折模型。将骨折复位后使用钻头自股骨外侧向内侧钻孔，钻透对侧皮质，攻艘后使用生物螺钉及金属螺钉固定骨折。冲洗后，逐层关闭切口。予以红霉素眼膏涂抹切口.术后3d予以肌注l印万单位青霉素预防感染.术后不予以固定术肢，任其自由活动。分别于术后第4、8、12、24周取材，处死动物之前均行CT+三维重建及抽取静脉血检查。2组各时间点各处死3只实验动物，完整取出动物股骨远端，置于4%多聚甲醛中固定保存。
1.4主要观察指标
①观察术后动物的精神、步态、食欲及切口情况。完全取出动物股骨远端标本，剔除肌肉、韧带等软组织，剥除骨膜，进行大体标本照相.②各时间点处死动物前予以双侧膝关节Cr十3D摄片检测，观察骨折愈合情况及螺钉内固定情况.③生物力学测试:术后4、8、12、24周取出犬股骨远端标本，将肌肉、韧带等软组织及骨膜剔除干净，实验组和对照组各时间点5个标本。将加工好的试件在岛津AG-IC万能材料力学试验机上进行3点弯曲试验。支架跨距为4mm，加载速度为1mm/min。将试件的高度及螺钉的直径数据输入计算机。加载设施从上往下移动，顶冲头垂直对准螺钉施加载荷，计算机同步绘出负荷气立移曲线。记录该曲线上标本的最大载荷。④组织学检测:各时间点处死动物后取股骨远端标本，放入4%的多聚甲醛中保存，制作不脱钙的硬组织切片，行甲苯胺蓝染色观察骨折愈合情况及螺钉滑界面情况(因螺钉硬度过高，只能切100um的厚片，无法进行HE及Masson染色)。⑤血常规及生化指标检测:取术后24周犬静脉血行血常规及C-反应蛋白(CRP)、血沉(ESR)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、天门冬氨酸氨基转氨酶(AST)、血钙(Ca)、血鳞(P)、碱性磷酸酶(A廿)检测。⑥肝肾脾毒性检测:术后24周取犬肝、肾、脾做HE染色检测，观察材料有无长期器官毒性。
1.5统计学处理数据以无士，表示，采用S飞517.0统计软件，组间比较采用单因素方差分析，两两比较采比D法。
2结果
2.1大体观察
动物大体情况:2组犬在观察期内精神可，食欲正常，术后3d可逐渐用后肢负重行走.对照组和实验组各有2只动物切口正中2针缝线在术后第2天时崩开(考虑犬自己将缝线咬开)，发现后立即予以缝合。2周后2组动物手术切口均良好愈合，未见窦道形成及不愈合。标本大体情况:术后12周2组动物骼间骨折己完全愈合，骨折断端的位置己无法辨认，股骨解间部分的骨皮质己完全连续，己达到骨性愈合(图l)。
目前，我国有近千万的肢残患者需要大量的骨修复材料来帮助他们改善或提高生活质量。尽管骨组织具有再生能力，但在骨折和骨缺损时，需要有坚强的内固定器材将其固定在一个稳定的生物力学环境下，为其骨折或缺损的修复和重建创造一个良好的生物学和力学环境。最常用的医用金属材料无生物活性且弹性模量太高，易造成“应力遮挡”、骨吸收，引起骨折愈合速度和能力下降，甚至骨折不愈合，且需二次取出，加重了患者的痛苦和经济负担卑刁。纳米轻基磷灰石/聚酞胺66(n-HA/PA66)复合生物活性人工骨是由我们与四川大学联合开发出的一种新型纳米仿生复合骨修复替代材料，其形态、结构和组成上与人体骨中的磷灰石纳米针晶相似卫一。前期研究显示该材料具有良好的骨传导能力、力学特性旦及生物相容性些1，在前期动物实验中还证实其具有良好的骨缺损修复能力皿。目前临床上己应用于骨折和肿瘤切除术后的胸腰椎椎体重建」-及人工生物活性椎板重建皿等。我们希望以:n-HA/PA66为基础材料开发出一种新型不需二次手术取出的生物活性接骨螺钉，但单纯N-HA/PA66力学强度无法胜任固定骨折的要求。多次试验后发现用玻璃纤维增强PA66可获得力学性能优良的接骨螺钉。但由于引入玻纤，体系中无机成分增加，难以把复合材料中n-hA的比例提高，将影响所制备螺钉的生物活性。通过表面功能化的方法，我们在成型后的螺钉表面制备类骨磷灰石层，使其保持基体材料优良力学性能的同时兼具良好的生物活性，开发出一种新型的非降解型生物活性纳米轻基磷灰石/聚酞胺661玻璃纤维(nano-hydroxyapatire/polyamid66/glassfiher，hA/PA66/GF)螺钉。本实验通过该生物螺钉固定犬裸间骨折的疗效观察来评价其内固定性能和体内生物相容性，为进一步研究和应用提供实验依据。
材料与方法
1.1实验材料
N-HA/PA66/CF螺钉(四川大学分析测试中心提供)，高温高压消毒备用。N-ha/pa66/gf螺钉中n-hA含量为40%，玻璃纤维含量为30%。常规手术器械(江苏张家港医疗器械公司)，Φ3.5 mn，金属螺钉(天津正天医疗器械公司)，高压灭菌锅(SANYO公司，口本)，万分之一天平(岛津公司，日本)，leica2600SP硬组织切片机(Leicai公司，德国)，1600型修块机及裱片仪(leica公司，德国)，Bx5l型Olympus正置显微镜摄像仪(OLYMPUS公司，口本)，16排螺旋CT(GE公司，美国)，戊巴比妥(山东枣庄生化有限公司)，AC-IS万能材料力学试验机(岛津公司，日本)，青霉素钠(华北制药股份有限公司)，过氧化氢溶液(重庆市渝生制药厂)，4%多聚甲醛(武汉博士德生物工程有限公司)。
1.2实验动物及分组
成年健康中华田园犬24只，雌雄各半，体质量10-15kg，由重庆医科大学动物中心提供，48个犬膝关节随机分为生物螺钉实验组和金属螺钉对照组。
1.3手术方法
中华田园犬适应性喂养2周，术前禁食12h，禁水8h，按1 ml/lkg腹腔注射3%戊巴比妥钠麻醉，待麻醉显效后将犬置于仰卧位，备皮，常规消毒铺巾，于膝关节外侧做切口，逐层暴露膝关节，往膝关节内侧推开骸骨以暴露股骨内外侧骼。电锯锯断股骨外侧躲，建立股骨躲间骨折模型。将骨折复位后使用钻头自股骨外侧向内侧钻孔，钻透对侧皮质，攻艘后使用生物螺钉及金属螺钉固定骨折。冲洗后，逐层关闭切口。予以红霉素眼膏涂抹切口.术后3d予以肌注l印万单位青霉素预防感染.术后不予以固定术肢，任其自由活动。分别于术后第4、8、12、24周取材，处死动物之前均行CT+三维重建及抽取静脉血检查。2组各时间点各处死3只实验动物，完整取出动物股骨远端，置于4%多聚甲醛中固定保存。
1.4主要观察指标
①观察术后动物的精神、步态、食欲及切口情况。完全取出动物股骨远端标本，剔除肌肉、韧带等软组织，剥除骨膜，进行大体标本照相.②各时间点处死动物前予以双侧膝关节Cr十3D摄片检测，观察骨折愈合情况及螺钉内固定情况.③生物力学测试:术后4、8、12、24周取出犬股骨远端标本，将肌肉、韧带等软组织及骨膜剔除干净，实验组和对照组各时间点5个标本。将加工好的试件在岛津AG-IC万能材料力学试验机上进行3点弯曲试验。支架跨距为4mm，加载速度为1mm/min。将试件的高度及螺钉的直径数据输入计算机。加载设施从上往下移动，顶冲头垂直对准螺钉施加载荷，计算机同步绘出负荷气立移曲线。记录该曲线上标本的最大载荷。④组织学检测:各时间点处死动物后取股骨远端标本，放入4%的多聚甲醛中保存，制作不脱钙的硬组织切片，行甲苯胺蓝染色观察骨折愈合情况及螺钉滑界面情况(因螺钉硬度过高，只能切100um的厚片，无法进行HE及Masson染色)。⑤血常规及生化指标检测:取术后24周犬静脉血行血常规及C-反应蛋白(CRP)、血沉(ESR)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、天门冬氨酸氨基转氨酶(AST)、血钙(Ca)、血鳞(P)、碱性磷酸酶(A廿)检测。⑥肝肾脾毒性检测:术后24周取犬肝、肾、脾做HE染色检测，观察材料有无长期器官毒性。
1.5统计学处理数据以无士，表示，采用S飞517.0统计软件，组间比较采用单因素方差分析，两两比较采比D法。
2结果
2.1大体观察
动物大体情况:2组犬在观察期内精神可，食欲正常，术后3d可逐渐用后肢负重行走.对照组和实验组各有2只动物切口正中2针缝线在术后第2天时崩开(考虑犬自己将缝线咬开)，发现后立即予以缝合。2周后2组动物手术切口均良好愈合，未见窦道形成及不愈合。标本大体情况:术后12周2组动物骼间骨折己完全愈合，骨折断端的位置己无法辨认，股骨解间部分的骨皮质己完全连续，己达到骨性愈合(图l)。
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