掺锶硫酸钙复合骨修复材料的体外实验研究

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目的:现有的骨修复材料所具有的各种各样的缺陷使其在临床应用上受到很大的限制,这迫使人们研制新型的骨修复材料。硫酸钙是一种具有较好生物降解性和相容性的骨修复材料;锶元素具有促进成骨细胞生长和抑制破骨细胞形成的作用。本研究将锶元素与医用硫酸钙复合以增加材料的生物活性,并初步验证掺锶硫酸钙复合骨修复材料的理化性能、生物活性、生物相容性和对成骨细胞体外培养的作用,旨在为后续的进一步研究提供基础。方法:用α-半水硫酸钙(α-CSH)和氯化锶(SrCl2)采用混合法制得掺锶硫酸钙骨修复材料,制备6组不同掺锶量的材料,其锶元素摩尔含量分别为0%、0.1%、0.3%、0.5%、1%和2%。分别将材料加工成5mm×12mm的柱状和15mm×2mm的盘状。扫描电镜观察材料的晶体形态,测试各组柱状材料的抗压强度。用模拟体液(SBF)作为降解液来对材料进行降解实验,并观测降解过程中的若干指标:(1)pH值变化;(2)重量变化;(3)抗压强度变化;(4)降解液中锶离子浓度变化。用各组材料浸提液来进行ROS17/2.8成骨样细胞毒性实验,同时设立正常细胞组和加入了苯酚的阳性对照组,并用MTT法来检测细胞增殖情况。对正常对照组和各实验组进行细胞碱性磷酸酶活性测定和碱性磷酸酶组织化学染色来反应材料对成骨细胞功能的影响。将ROS17/2.8成骨样细胞接种到各组盘状掺锶硫酸钙骨修复材料上进行共培养,并设立正常对照组,分别在培养后2天和4天对材料上细胞进行计数,并在第4天通过扫描电镜观察细胞生长情况。结果:制得的各组掺锶硫酸钙材料具有均质、易于加工的特点,氯化锶的掺入不会影响硫酸钙材料的大体外观,但会影响到α-半水硫酸钙的晶体形态,当掺锶量达到2%时,晶体形态较不均匀,晶体排列比较稀疏。没有掺锶的硫酸钙材料的初始抗压强度为15.85±1.58 Mpa,随着掺锶量的增加,抗压强度有逐渐下降的趋势。当掺锶量为2%时,材料初始抗压强度下降到8.66±1.40 Mpa。随着不同掺锶量的6组材料在模拟体液(SBF)中降解时间的增加,其溶液PH值均有一定的下降,不同掺锶量的材料在降解过程中PH值的变化均较稳定,降解12周后PH值下降均不到0.2个单位。不同掺锶量的材料在SBF中降解均会导致失重率的增加。前4周各组材料的重量变化相对较小,而4周过后失重率有增加的趋势。与不掺锶的硫酸钙材料比较,掺锶量为0.1%和0.3%的硫酸钙材料的失重率没有统计学意义上的差异(P=0.988,P=0.158),随着掺锶量的进一步增加,材料的失重率变化有增加的趋势(P<0.05)。掺锶量为0.1%和0.3%(P=0.581)、0.3%和0.5%(P=0.166)的材料之间失重率变化没有统计学意义上的差异。其总体趋势是随着掺锶量的增加,材料在降解过程中的失重率将会增大。随着降解时间的延长,各组材料的力学强度均有所下降。掺锶量为0%、0.1%、0.3%和0.5%的材料降解前4周的强度下降都比较缓慢,而当掺锶量进一步增加后,掺锶量为1%和2%的材料降解过程中强度下降就较快。与没有掺锶的硫酸钙相比所有掺锶材料的强度变化都具有统计学意义(P<0.0001,Dunnett test)。在SBF中降解8周过程中,降解液中Sr离子浓度从第4周开始增长加快,且材料的掺锶量越大,锶离子浓度越高(P<0.001),到第8周时,含锶量为0.1%材料降解液的锶离子浓为64.63±9.47μmol/L,含锶量为2%材料降解液的锶离子浓度为175.64±11.25μmol/L。材料浸提液实验显示,各组掺锶硫酸钙骨修复材料均无细胞毒性,细胞在其中生长形态正常。MTT实验OD值显示,细胞在各组掺锶硫酸钙材料浸提液中增值均正常,其掺锶材料浸提液对细胞增殖有一定的促进作用,差异具有统计学意义(P<0.05)。碱性磷酸酶组织化学染色和活性分析结果示,掺锶材料会增加成骨细胞碱性磷酸酶的活性(P<0.05),且当含锶量为0.5%时最明显。细胞与各组掺锶硫酸钙材料共培养结果示,细胞能与材料紧密贴附,并能在其上正常生长。共培养2天和4天后,各组掺锶硫酸钙材料上细胞计数与正常对照组相比无统计学差异(P>0.05)。结论:通过对掺锶硫酸钙理化性能、生物相容性及其对成骨细胞作用的研究结果表明:(1)用α-半水硫酸钙(α-CSH)和氯化锶(SrCl2)混合固化制得的均质新型骨修复材料——掺锶硫酸钙,具有一定力学强度的,能为植骨区域提供一定的力学支撑能力,并承担部分应力传导。(2)材料体外降解性能稳定,当掺锶量在0.5%以内时,掺锶硫酸钙骨修复材料在体外模拟体液(SBF)中降解前4周内能保持重量和力学强度相对稳定,并在4周后开始大量释放具有成骨活性的锶元素,有利于植入体内后刺激成骨。(3)掺锶硫酸钙骨修复材料无细胞毒性,并对细胞增殖和成骨细胞功能有一定的促进作用。(4)材料与细胞有较好的相容性,成骨细胞能在材料上正常的贴附生长。(5)掺锶硫酸钙可在骨缺损部位的修复过程中通过局部释放能促进成骨的元素锶,以加速骨形成、促进骨愈合。
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