可降解温敏水凝胶复合钙硅基生物活性骨水泥的研究

来源 :中国人民解放军海军军医大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gaoyunlonggao
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骨质疏松性腰背痛及骨质疏松椎体压缩性骨折严重影响老年人的身体健康。椎体成形术(percutaneous vertebroplasty,PVP)是临床上治疗椎体骨折的常用微创术式。钙硅基骨水泥(calcium silicate bone cements,CSCs)在生物相容性、骨传导与诱导成骨方面有着优异的性能,在椎体成形术及骨缺损填充材料等领域有着广阔的前景。但在初步应用中仍然存在一些问题,包括抗压强度小、注射性差、抗溃散性不佳等。从骨质疏松椎体的生物力学特性出发,本课题将硅酸三钙、硅酸二钙与半水硫酸钙比例复合,设计出钙硅基复合骨水泥。同时利用聚乳酸-羟基乙酸-聚乙二醇-聚乳酸-羟基乙酸(poly(lactic acid),poly(glycolic acid)and poly(ethylene glycol),PLGA-PEG-PLGA)三嵌段聚合物温敏水凝胶相变的特点,将PLGA-PEG-PLGA水凝胶稀释后作为固化液,与钙硅基骨水泥粉体混合,制备水凝胶-硅酸三钙/硅酸二钙/半水硫酸钙(PLGA-PEG-PLGA/C3S/C2S/POP)复合体系骨水泥。旨在解决其与松质骨弹性模量不匹配、注射性差、抗溃散性不理想以及降解速率与新骨长入不匹配等问题。本课题所制骨水泥注注射性与抗溃散性显著提高,抗压强度和弹性模量与人体松质骨相匹配,体内外诱导成骨性都有良好表现,因此在骨缺损修复、椎体成形术操作上拥有极高的应用价值。目的:探究PLGA-PEG-PLGA/C3S/C2S/POP复合骨水泥体系的制备方案。比较不同比例水凝胶含量对复合骨水泥固化时长、抗压强度、可降解性、可注射性、抗溃散性、细胞相容性、诱导成骨性的影响。明确最佳方案后进行动物实验,分析其安全性、有效性与生物活性。方法:(1)制备骨水泥:使用溶胶-凝胶法制备硅酸三钙粉体。使用共沉淀法制备硅酸二钙粉体。对二水硫酸钙进行干燥脱水,制备半水硫酸钙,即熟石膏(plaster of paris,POP)。通过开环聚合法制备PLGA-PEG-PLGA水凝胶。骨水泥液相为体积比例不同的PLGA-PEG-PLGA水凝胶,与硅酸三钙、硅酸二钙与半水硫酸钙粉体混合后,最终得到PLGA-PEG-PLGA/C3S/C2S/POP复合骨水泥。(2)表征测定:使用X射线衍射仪分析骨水泥的水化产物;水泥固化时间运用维卡仪进行测定;利用注射器挤出的骨水泥浆体质量与装填的总质量之间的比值来判断水泥的可注射性;通过力学测试机来检测其抗压强度;检测水泥的抗溃散性则是将水泥浆体注射到模拟体液中,震荡后观察是否出现松散情况。(3)体外细胞实验:利用CCK-8法对水泥的体外细胞毒性进行测定;使用茜素红染色与碱性磷酸酶活性测定分析其体外成骨性能。(4)动物实验研究:将20只健康雌性新西兰兔作为研究对象,手术摘除双侧卵巢,进行经典的骨质疏松建模。12周后随机选取2只兔处死,检测骨质疏松模型建立的结果。剩余18只兔分为A、B、C三组,行兔股骨髁骨缺损填充术,A组植入在前期实验中理化特性与体外实验均表现优异的30%v/v PLGA-PEG-PLGA/C3S/C2S/POP复合骨水泥;B组植入临床上常用的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA);C组为空白对照组。术后6、12周通过Micro-CT及大体解剖观察检测其降解性及诱导成骨情况。结果:(1)通过X线衍射仪物相分析,PLGA-PEG-PLGA/C3S/C2S/POP复合骨水泥的24小时水化产物包括水合硅酸钙、氢氧化钙、二水硫酸钙以及未充分反应的硅酸三钙、硅酸二钙。添加温敏水凝胶后不影响其水化结果。在抗压强度方面,添加水凝胶后得到一定改善,30%PLGA-PEG-PLGA/C3S/C2S/POP第14天抗压强度为45.56±6.56MPa,相较于单纯骨水泥组,有显著差异(P<0.05)。水凝胶可以明显提高水泥的可注射性,30%PLGA-PEG-PLGA/C3S/C2S/POP复合骨水泥的可注射系数达到85.93±3.54%,性能明显提升(P<0.05);养护第10周时,30%、40%PLGA-PEG-PLGA组的降解率分别为46.32±4.42%和48.32±5.16%,降解速率较单纯C3S/C2S/POP骨水泥明显更快(P<0.05);加入不同比例水凝胶的各组水泥,其抗溃散性也都有所提高。(3)根据CCK-8法对细胞增殖活力的测试数据,不同比例水凝胶骨水泥在原代成骨细胞增殖方面均具有良好的表现,无细胞毒性。根据茜素红染色与碱性磷酸酶活性的测试数据,30%PLGA-PEG-PLGA/C3S/C2S/POP具有最佳的诱导成骨性。(4)利用去卵巢方法建立兔骨质疏松建模,术后12周兔股骨远端骨小梁稀疏;行不同材料兔股骨远端骨缺损填充术,A组术后6周、12周影像学及解剖结果显示该水泥部分降解,填充区域出现大量新骨,周围骨痂形成。结论:将PLGA-PEG-PLGA三嵌段温敏水凝胶与C3S/C2S/POP钙硅基复合骨水泥复合,其可注射性、抗溃散性以及降解速率都有明显改善,同时具备钙硅基骨水泥的良好的抗压强度与固化时间。体内实验证明PLGA-PEG-PLGA/C3S/C2S/POP复合骨水泥具有良好可操作性、降解性及安全有效性。
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