【摘 要】
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研究背景:严重的骨缺损一直是骨修复的难题之一。骨移植是解决各种骨缺损的有效手段。而传统的骨移植方法因其限制因素,常不能较好的满足临床需要。因此,迫切需要有一种生物相容性良好、成骨性能卓越的骨替代材料应用于临床。目的:本研究旨在通过3 D打印技术构建多孔生物活性玻璃支架(porous bioactive glass scaffold,pBGS),研究其内部微结构与材料性能。同时将支架植入兔股骨干节段
【基金项目】
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国家自然科学基金(No.51402108);
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研究背景:严重的骨缺损一直是骨修复的难题之一。骨移植是解决各种骨缺损的有效手段。而传统的骨移植方法因其限制因素,常不能较好的满足临床需要。因此,迫切需要有一种生物相容性良好、成骨性能卓越的骨替代材料应用于临床。目的:本研究旨在通过3 D打印技术构建多孔生物活性玻璃支架(porous bioactive glass scaffold,pBGS),研究其内部微结构与材料性能。同时将支架植入兔股骨干节段性超临界骨缺损模型上,评价其成骨活性。为临床应用提供理论依据。方法:通过有机模板法制备生物活性玻璃微球,以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)为粘合剂,通过3 D纤维沉积技术打印出直径0.5 cm,高度1.0 cm与1.5 cm的圆柱形多孔支架。评估该支架的力学性能、微观形貌及生物相容性。在兔股骨干中部制作节段性骨缺损模型,分成1.0 cm缺损组和1.5 cm缺损组,然后将同样长度pBGS植入到骨缺损中。自体骨移植(autogenous bone graft,ABG)作为阳性对照组,空白对照组不做干预。主要观察pBGS组骨愈合效果。通过X影像、组织病理及免疫组化半定量评价pBGS的成骨效果。结果:(1)该支架内部具有三维贯通的孔道结构,具有800 μm的孔径和约58.34%的孔隙率,1.0 cm与1.5 cm高度支架的平均抗压强度分别为24.47 Mpa和23.15 Mpa,体外形成磷灰石的活性良好,能够支持细胞黏附与增殖,符合生物活性支架的基本性能。(2)X线成像显示,pBGS组在植入后4周都可以在支架周围观察到新形成的骨组织,但是在不同时间点观察到不同的骨化增强的趋势,1.0 cm缺损组骨组织形成快于1.5 cm缺损组。尽管如此,两组最终在18周时都形成了缺损处的骨痂连接。而ABG组则最终发生种植体完全融合,没有可见的界面,有成熟骨进行缺损处的桥接。(3)pBGS组的H&E染色和Masson染色显示BGS在体内易于降解,形成类骨样物质,伴随着生物玻璃的逐渐降解,新生骨化组织从材料边缘开始向材料中心生长,并最终包裹材料。ABG组病理染色显示新生骨再生活跃。(4)pBGS组的免疫组化分析显示,1.0 cm缺损组,BMP2和Col-Ⅰ蛋白的表达水平在第8周达到峰值,在第12周和第18周逐渐降低,RUNX2蛋白的表达水平自8周至12周达到峰值,18周则明显降低。1.5 cm缺损组,BMP2和Col-Ⅰ蛋白的表达水平在第8周达到峰值,在第12周和第18周逐渐降低,RUNX2的蛋白表达水平在12周达到峰值,在18周表达明显降低。统计结果1.0 cm缺损组BMP2蛋白的表达水平8周与12周和18周结果相比,有显著性差异(P<0.05);8周时BMP2蛋白和RUNX2蛋白表达水平比较,1.0 cm缺损组与1.5 cm缺损组有显著性差异(P<0.05)。其余指标无统计学差异。结论:3D pBGS具有较大的孔径和较高的孔隙率,具有良好的生物力学性能,其体外形成磷灰石活性良好,能够支持细胞黏附与增殖,细胞相容性良好。在修复兔股骨临界性节段性骨缺损模型中,具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性。在首次尝试修复兔股骨超临界骨缺损模型中表现出一定的成骨能力,在自体骨数量及来源有限的情况下,为临床实践中的严重骨缺损重建开辟了新的途径。
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