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外伤、肿瘤、先天畸形、炎症等均可造成眼眶骨缺损,从而导致面中部畸形、眼球位置及视功能异常;眼眶解剖结构复杂、功能重要,眼眶骨缺损的修复是临床亟待解决的难题。目前尚没有一种理想的眼眶骨修复材料,组织工程技术的迅速发展为骨缺损的修复提供了新思路。
目的:应用组织工程技术,以骨髓基质干细胞(BMSCs)作为种子细胞,预制β-磷酸三钙(β-TCP)支架材料,体外复合构建个体化的眼眶组织工程骨,分别修复犬眶缘及眶壁标准缺损,探讨构建组织工程骨修复眼眶骨缺损的可行性。
方法:1.抽取犬骨髓后分离获得BMSCs,应用添加了β-磷酸甘油、地塞米松及抗坏血酸的α-MEM培养液进行体外成骨诱导培养,以未诱导BMSCs为对照,进行细胞形态学及成骨活性检测,包括:流式细胞检测;MTT法生长曲线检测;成骨功能的生化检测;免疫细胞化学及western-blot检测成骨相关蛋白表达情况;RT-PCR及荧光定量PCR检测成骨相关基因表达情况。2.将诱导BMSCs与β-TCP支架材料进行体外复合培养,通过扫描电镜观察细胞在支架上的生长增殖情况。将该细胞-材料复合体植入犬背部皮下,分别于植入后1月、2月、3月取材进行组织学检测,分析其异位成骨能力。3.建立犬眼眶缘及眼眶壁骨缺损模型:眶下缘及颧弓的长25mm的截断性缺损及眶内侧壁的直径10mm的圆形全层缺损。并应用计算机辅助设计和辅助制造(CAD/CAM)技术,根据眼眶骨缺损的CT数据对β-TCP支架进行个性化预制,并对材料进行内部结构及力学性能的检测。4.将成骨诱导的自体BMSCs与预制的β-TCP材料复合后,分别对犬眼眶缘及眼眶壁缺损进行修复实验。以未诱导BMSCs/β-TCP复合物、单纯β-TCP材料为对照组。在术后1周、4周、8周、12周分别进行螺旋CT检查和三维重建观察。术后12周取材,进行大体观察、骨密度检测、Micro-CT检查及组织学观察,对结果进行统计分析,评价修复效果。
结果:1.犬BMSCs经成骨诱导培养后细胞生长周期以及细胞增殖不受影响;ALP、钙结节染色呈强阳性;表达成骨标志性蛋白(OCN,OPN,BSP,Cbfal、Ⅰ型胶原等)及成骨相关基因(OCN,OPN,BSP)。而未诱导BMSCs的ALP染色呈弱阳性、钙结节染色阴性,成骨标志性蛋白及相关基因的表达量低于诱导组。2.β-TCP具有良好的多孔三维结构,与BMSCs在体外复合4小时就完成了黏附,较适宜的体外复合培养时间为5天。诱导BMSCs/β-TCP复合物植入犬皮下1月即见新生骨组织和血管形成,3月时新生骨明显增多,并可见丰富的新生血管和骨髓脂肪组织。未诱导BMSCs/β-TCP复合物仅见少量成骨,而单纯β-TCP不具备异位成骨能力。3.本研究所建立的犬眶缘及眶壁缺损均符合标准缺损的要求。应用CAD/CAM技术能够根据实际眼眶骨缺损的形状对支架材料进行精确预制,保证材料与缺损部位的良好吻合。制备的β-TCP材料内部呈均匀的多孔三维结构,平均孔径406.3μm,孔隙率约为84.63%,力学强度>2MPa。4.成骨诱导BMSCs/β-TCP复合物修复眶缘缺损。3月后,CT影像示眶下缘及颧弓外形良好;骨密度为0.30±0.03g/cm2,与正常骨(0.36±0.04g/cm2)无显著区别(P>0.05);Micro-CT和组织学检查表明该复合物与骨断端已形成骨性连接,大部分材料已发生降解并被新生的骨组织所替代。未诱导BMSCs/B-TCP复合物植入后3月,失去正常形态,与骨断端只形成部分骨连接,甚至表现为骨不连,其骨密度(0.23±0.07g/cm2)显著低于正常组(P<0.05)。单纯β-TCP材料组植入后3月均形成纤维连接。5.成骨诱导BMSCs/β-TCP复合物修复眶内侧壁缺损。术后CT影像随访见复合物逐渐降解变薄,至3月时已接近正常眶壁厚度;Micro-CT和组织学检查显示植入物与周围眶壁己形成骨性连接,只有中央部残余少量材料;其骨密度为0.16±0.03g/cm2,与正常骨密度(0.11±0.01g/cm2)无显著差别(P>0.05)。而未诱导BMSCs/TCP复合物及单纯材料植入后降解缓慢,3月后仍然明显凸出于正常眶壁;组织学检测表明大部分材料未降解,仅在材料表面可见新生骨组织;骨密度与正常组有显著差异(P<0.05)。
结论:1.培养液中添加β-磷酸甘油、地塞米松及抗坏血酸可诱导体外培养的犬BMSCs向成骨细胞分化,显示良好的成骨活性及增殖能力。2.B-TCP具有良好的三维结构和生物相容性,适宜BMSCs的黏附、生长和增殖,可体外复合构建组织工程骨。3.诱导.BMSCs/B-TCP复合物在体内的异位成骨能力高于未诱导BMSCs/β-TCP复合物,而单纯β-TCP不具备异位成骨能力。4.犬的眼眶结构与人类相似,可作为眶缘修复和眶壁修复研究,的实验动物。本研究建立的犬眶缘及眶壁骨缺损模型均达到标准缺损的要求。5.应用CAD/CAM技术可对支架材料进行精确预制,有助于组织工程化骨与缺损部位的良好吻合及修复。本研究制作的β-TCP支架材料达到了松质骨的力学强度,可满足眼眶骨缺损修复的要求。6.应用成骨诱导BMSCs复合预制形状的β-TCP材料修复犬眶缘及眶壁骨缺损是切实可行的,能在促进骨再生的同时发生外形的生理改建。