納米羥基磷灰石-40%二氧化鋯生物陶瓷材料組織相論文

　　【關(guān)鍵詞】 羥基磷灰石 二氧化鋯 組織相容性

　　【摘要】 ［目的］評估納米羥基磷灰石-二氧化鋯生物陶瓷材料組織相容性。［方法］根據iso10993-1標準，采用細胞毒性試驗、急性毒性試驗、溶血試驗和體內植入(90 d)試驗對納米羥基磷灰石-二氧化鋯生物陶瓷材料組織相容性進(jìn)行評估。［結果］納米羥基磷灰石-二氧化鋯生物陶瓷材料組織相容性的細胞毒性評分小于i級，細胞生長(cháng)無(wú)明顯抑制現象，無(wú)急性毒性反應，無(wú)溶血反應，體內植入符合植入材料生物學(xué)評價(jià)要求。［結論］納米羥基磷灰石-二氧化鋯生物陶瓷材料具有良好的組織相容性，作為骨組織工程中生物支架材料具有廣闊臨床應用前景。

　　【關(guān)鍵詞】 羥基磷灰石 二氧化鋯 組織相容性

　　histocompatibility evaluation of nano hydroxyapatite-40% zirconia composite bioceramic

　　li chao,tao shu-qing,zhou chang-lin,et al.

　　department of orthopaedics,the second affiliated hospital of harbin medical university,harbin 150086, china

　　abstract: ［objective］to evaluate the histocompatibility of nano hydroxyapatite-zirconia composite bioceramic. ［methods］according to the standard of iso 10993-1,cytotoxicity experiment,acute toxicity test,hemolysis test and in vivo implantation(90 days) test were conducted to evaluate the histocompatibility of nano hydroxyapatite-zirconia composite bioceramic.［results］the score of cytotoxicity experiment was lower than grade i,and there was no significant inhibition of cell growth,no acute toxic reaction or hemolytic reaction.and the in vivo implantation met the requirements of the biological evaluation of implant materials.［conclusion］nano hydroxyzpatie-zirconia composite bioceramic showed a good histocompatibility.it has a broad prospect as a biomaterial scaffold in the bone tissue engineering.

　　key words：hydroxyapatite; zirconia; histocompatibility

　　生物陶瓷是目前骨組織工程常用的支架材料，傳統的生物陶瓷材料由于粒徑較大，氣孔大，其脆性及彈性模量較大，影響了在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用［1］。由哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院與哈爾濱醫科大學(xué)附屬第二醫院骨外科共同研究制備的納米羥基磷灰石-40%二氧化鋯(nano hydroxyapatite-40%zirconia，nano ha-40%zro2)陶瓷材料強度、硬度、韌性和超塑性上都得到提高，如在人工器官制造，臨床應用等方面將比傳統陶瓷有更廣泛的應用并具有極大的發(fā)展前景。本研究選用細胞毒性試驗、急性毒性試驗、溶血試驗，植入實(shí)驗評價(jià)納米ha-40%zro2組織相容性，初步評價(jià)該材料應用于臨床醫學(xué)的可行性。

　　1 材料和方法

　　1.1 材料的制備與浸提液提取

　　ha／40%zro2、ha由哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院與哈爾濱醫科大學(xué)附屬第二醫院骨外科共同研究制備，用溶膠-凝膠(sol-gel)法制成納米羥墓磷灰石粉粒(ha)［2］，然后將質(zhì)量比按60%納米ha+40%二氧化鋯比例配制，納米ha和二氧化鋯粉體經(jīng)充分研磨后得到納米羥基磷灰石／二氧化鋯復合粉體，采用熱壓低溫燒結技術(shù)磨削制成3 mm×3 mm×5 mm長(cháng)方體。將經(jīng)過(guò)環(huán)氧乙烷滅菌的上述復合材料以1 g材料／5 ml介質(zhì)的比例，放入生理鹽水或小牛血中，37℃恒溫箱中靜置浸提72 h制備成ha／40%zro2浸提液，過(guò)濾除菌，4℃冰箱保存備用。

　　1.2 細胞毒性試驗

　　1.2.1 實(shí)驗方法

　　采用l929細胞(哈爾濱醫科大學(xué)遺傳實(shí)驗室饋贈)經(jīng)復蘇、傳代后，將細胞培養基配制1×104個(gè)／ml細胞懸液分注于96孔塑料培養皿中，每孔100 μl，每組每觀(guān)察期至少8孔，細胞培養箱內培養24 h。然后棄去原培養基，用pbs洗滌2次，試驗組加入100 μl小牛血清浸提液，陰性對照組加入100 μl小牛血清，陽(yáng)性對照組加入64 g/l苯酚溶液，繼續培養1、2 d和3 d。棄去培養皿中的浸提液和培養基，加入20 μl/孔的mtt液，繼續培養6 h，吸去原液，加入150 μl／孔二甲亞砜，振蕩10 min，在beckman du640紫外分光光度計以500 nm波長(cháng)測定吸光度od值，并計算細胞的相對增殖度(rgr)。rgr=(試驗組od值-空白od值)／(陰性對照組od值-空白od值)

　　1.2.2 細胞毒性分級與判定

　　rgr≥100%評為0級；rgr在75%～99%之間評為i級；rgr在50%～74%之間評為ii級；rgr在25%～49%之間評為ⅲ級；rgr在1%～24%之間評為ⅳ級；rgr為0時(shí)評為v級)。實(shí)驗結果為1或0級反應為合格，實(shí)驗結果為ⅱ級反應時(shí)需結合細胞形態(tài)綜合評價(jià)，實(shí)驗結果為�！玽級反應為不合格。

　　1.3 急性全身毒性試驗

　　1.3.1 動(dòng)物分組及實(shí)驗方法

　　將20只昆明小鼠(哈爾濱醫科大學(xué)附屬第二醫院動(dòng)物實(shí)驗中心提供)，雌雄各半，體重（20±2.0） g，隨機均分為實(shí)驗組和對照組，實(shí)驗組用生理鹽水ha／40%zro2材料浸提液，對照組用生理鹽水，均以50 ml／kg劑量通過(guò)小鼠腹腔注射，觀(guān)察注射后24、48和72 h動(dòng)物的一般狀態(tài)、毒性表現。

　　1.3.2 結果評定

　　72 h內實(shí)驗組反應小于對照組為符合要求；實(shí)驗組中40%死亡，或60%出現明顯毒性反應，或動(dòng)物普遍出現進(jìn)行性體重下降為不符合要求。

　　1.4 溶血試驗

　　1.4.1 制備新鮮稀釋血

　　經(jīng)肘前靜脈抽取健康人(8人，男性)靜脈血4 ml，混入3.2%檸檬酸鈉緩沖劑0.4 ml，加入生理鹽水5 ml進(jìn)行稀釋即制備出新鮮稀釋血。

　　1.4.2 實(shí)驗分組及方法

　　實(shí)驗組取ha／40%zro2浸提液10 ml，陰性對照組取9 g/l生理鹽水10 ml，陽(yáng)性對照組取蒸餾水10 ml，每組各取8個(gè)試管，將所有試管放入37℃恒溫箱中水浴30 min，各試管內分別加入新鮮稀釋血0.2 ml輕搖，37℃恒溫保留60 min，3 000 r/min離心5 min，取上清液在紫外分光光度儀上測定545 nm處的光吸收度(a)。溶血率計算公式：溶血率=(實(shí)驗組吸光度-陰性對照組吸光度)／(陽(yáng)性對照組吸光度-陰性對照組吸光度)×100%

　　1.4.3 結果評定

　　溶血率<5%為合格；溶血率≥5%為不合格

　　1.5 肌肉內種植實(shí)驗

　　1.5.1 實(shí)驗分組及方法

　　選用wister大鼠40只(哈爾濱醫科大學(xué)附屬第二醫院動(dòng)物實(shí)驗中心提供)，雌雄各半，體重（220±25） g，隨機分為術(shù)后第7、15、30、90 d 4組，每組10只。將ha-40%zro2材料塊環(huán)氧乙烷消毒后備用。常規麻醉消毒，在大鼠脊柱右側1.0 cm處做切口，分離豎脊肌，于肌肉內植入ha／40%zro2材料塊，縫合肌膜和皮膚。術(shù)后每日予以青霉素20萬(wàn)u肌注，連續3 d，于術(shù)后第7、15、30、90 d取材。

　　1.5.2 觀(guān)察指標

　　大體觀(guān)察：觀(guān)察術(shù)后大鼠飲食、活動(dòng)、切口反應；肉眼下觀(guān)察有無(wú)材料外露，材料表面的包膜形成情況、有無(wú)紅腫等。病理學(xué)觀(guān)察：術(shù)后各時(shí)相點(diǎn)連同材料、包膜和樣品周?chē)?.5～1.0 cm厚的肌肉共同取出，常規he染色，每個(gè)標本取3張切片。在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察材料周?chē)�包膜形成情況和組織反應情況。

　　1.6 統計學(xué)處理

　　應用spss 11.0統計軟件對實(shí)驗數據進(jìn)行統計分析，計量資料兩組間均數比較采用t檢驗，多組間均數比較采用單因素方差分析。

　　2 結果

　　2.1 細胞毒性試驗

　　ha／40%zro2試驗組及陰性對照組，隨著(zhù)培養時(shí)間延長(cháng)，od值均有增加，陽(yáng)性組od值無(wú)增加，空白組od值為0.041。實(shí)驗組與陰性對照組同一時(shí)間組間比較差異無(wú)顯著(zhù)性(p>0.05)，與陽(yáng)性對照組比較差異有顯著(zhù)性(p<0.01)。ha／40%zro2小牛血清浸提液對l929細胞的細胞毒性均為1級(表1)，符合國家醫用生物材料細胞毒性要求［2］。

　　2.2 急性全身毒性實(shí)驗

　　實(shí)驗小鼠均無(wú)死亡、進(jìn)食正常，無(wú)驚厥、呼吸抑制、腹瀉、運動(dòng)減少和體重下降等不良反應，評價(jià)屬無(wú)毒級。組間小鼠體重增加量比較差異無(wú)顯著(zhù)性(p>0.05)，小鼠體重增加量見(jiàn)表2。表1 細胞毒性實(shí)驗各組od值，rgr和細胞毒性分級分組培養24 hod值rgr（略）

　　2.3 溶血實(shí)驗

　　ha／40%zro2浸提液組吸光度為0.040±0.003，陰性對照組吸光度為0.009±0.001，陽(yáng)性對照組吸光度為0.988±0.031，根據溶血率公式計算ha-40%zro2材料浸提液的溶血率為3.17%，溶血率<5%，符合溶血實(shí)驗要求。

　　2.4 肌肉內植入實(shí)驗

　　2.4.1 大體觀(guān)察

　　各組實(shí)驗動(dòng)物術(shù)后當天開(kāi)始進(jìn)食且活動(dòng)正常，創(chuàng )口無(wú)明顯出血、滲出，術(shù)后5 d創(chuàng )口愈合良好。未見(jiàn)皮膚破潰、植入物外露等現象。將包繞ha-40%zro2材料的組織切開(kāi)，術(shù)后第7、15 d時(shí)無(wú)明顯包膜形成，第30、90 d時(shí)可見(jiàn)包膜組織，包膜隨時(shí)間延長(cháng)逐漸變薄。表2 急性全身毒性實(shí)驗體重變化情況（略）

　　2.4.2 組織病理學(xué)檢查

　　材料植入大鼠豎脊肌植入后7 d，試樣周?chē)�可�?jiàn)以嗜中性粒細胞浸潤為主的炎性反應，可見(jiàn)吞噬細胞，無(wú)囊壁形成（圖1）；植入15 d后試樣周?chē)�有少量嗜中性粒細胞、淋巴細胞浸潤和巨細胞；試樣周�(chē)�可�?jiàn)小血管與纖維母細胞增生，開(kāi)始形成疏松囊壁（圖2）；植入30 d后，試樣周?chē)�可�?jiàn)少量淋巴細胞，試樣周?chē)�可�?jiàn)纖維母細胞與膠原纖維，并已形成纖維囊腔結構（圖3）；植入90 d后試樣周?chē)�未�?jiàn)或僅見(jiàn)極少量淋巴細胞，纖維化囊壁致密，壁的厚度比形成初期要�。▓D4）。

　　3 討論

　　生物陶瓷是目前骨組織工程常用的支架材料，常用的是以羥基磷灰石(hydroxyapatite，ha)粉料為原料［2］，經(jīng)高溫燒結即得到的生物羥基磷灰石陶瓷，由于其粒徑較大，氣孔大，其脆性及彈性模量較大，影響了在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用［3］。納米生物復合材料是將納米微粒與其他材料復合制成各種復合材料從而獲得許多優(yōu)良特征［4］。氧化鋯(zro2)具有良好的耐磨性、抗生理腐蝕性和好的生物相容性，而且其強度、斷裂韌性指標也高于其他所有的生物陶瓷材料，作為第二相顆粒加入到ha涂層中可以顯著(zhù)提高涂層材料的力學(xué)性能 ［5］。目前國內外已制備出含有(10%～70%)zro2的納米羥基磷灰石復合材料［6］，其強度和韌性等綜合性能可達到甚至超過(guò)致密骨骼的相應性能［7、8］。其zro2含量越高其力學(xué)性能提高越明顯，但由于金屬離子效應，吸附在材料表面的組織生物分子的化學(xué)組成將會(huì )發(fā)生相應的變化。為探索在力學(xué)性能和組織相容性上達到平衡，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院與哈爾濱醫科大學(xué)附屬第二醫院骨外科共同研究制備成ha／40%zro2，其在強度、硬度和韌性上都得到顯著(zhù)提高。

　　當生物材料植入人體后，材料周?chē)�組織(組織細胞，水，離子和生物分子及其他物質(zhì)的體液)的組成是非常復雜的，表現的形式也多種多樣。組織相容性是指材料與活體組織之間相互容納的程度，即材料的植入或接觸對組織的組成，形態(tài)結構和功能的影響［9］。目前，人們對生物材料與骨的相容性研究主要包括三部分：(1)用體外細胞培養法研究其細胞相容性；(2)用體內種植實(shí)驗研究其組織相容性；(3)臨床研究其組織相容性。

　　本實(shí)驗測定hap2zro2復合陶瓷的生物學(xué)性能首先采用體外細胞毒性實(shí)驗，選用的四唑鹽(mmt)法是一種國際標準檢測細胞存活和生長(cháng)的方法，其原理是活細胞線(xiàn)粒體中的琥珀酸脫氫酶能使外源的mtt還原為難溶性的藍紫色結晶物(formazan)并沉積在活細胞中，而死亡細胞對mtt不起作用，因此死亡細胞不會(huì )被染色。由于mtt結晶物形成量與細胞數呈正比，od值就能間接反映活細胞數量。通過(guò)計算出不同濃度試驗材料浸提液作用下的細胞增殖度，可以對該材料的細胞毒性作用作出可靠的定量評價(jià)。結果顯示24 h、48 h后的各組ha／40%zro浸提液細胞毒性分級均為0級，72 h后的各組ha／40%zro2浸提液細胞毒性分級0或1級別，且與陰性對照組相比無(wú)明顯差異，由此說(shuō)明ha／40%zro2無(wú)細胞毒性作用。

　　體內植入試驗可從宏觀(guān)和微觀(guān)水平來(lái)評價(jià)組織工程支架材料對組織的局部反應，包括早期的炎癥反應和隨后的纖維增生反應。通過(guò)體內植入試驗結果可見(jiàn)，材料在大鼠肌肉內埋植后，均未出現任何壞死、纖維化、異位骨化和囊性改變。鏡下可見(jiàn)在早期(7 d)出現以嗜中性粒細胞浸潤為主的急性非特異性炎癥反應，多由于手術(shù)創(chuàng )傷、繼發(fā)性微生物侵入引起的細菌性炎癥或者植入物抑制局部的免疫應答能力而產(chǎn)生急性炎癥反應。植入15 d后，材料周?chē)�嗜中性粒細胞減少，可見(jiàn)淋巴細胞、巨細胞，轉入慢性無(wú)菌性炎癥表現，并可見(jiàn)纖維母細胞與膠原纖維，開(kāi)始形成疏松囊壁。植入30 d后，炎癥反應明顯減輕并伴有纖維增生反應，植入90 d后，炎癥反應基本消失，纖維化囊壁致密且較初期薄。說(shuō)明材料對正常組織已無(wú)刺激作用。符合植入物正常病理變化及評定標準［10］，說(shuō)明ha／40%zro2與周?chē)�組織有良好的相容性。

　　在臨床方面研究其組織相容性，采用的全身急性毒性試驗和溶血試驗，根據結果提示由于ha和zro2為惰性材料，其在生物體內化學(xué)性質(zhì)穩定，無(wú)組成元素溶出，因此不會(huì )因材料可溶性殘余分子的化學(xué)作用導致生物體急性反應及溶血作用，說(shuō)明ha／40%zro2無(wú)全身急性毒性及溶血反應。

　　本實(shí)驗表明納米羥基磷灰石-40%二氧化鋯生物陶瓷材料具有良好的組織相容性，考慮到其力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)越性，其作為骨組織工程增韌材料、關(guān)節和口腔修復材料具有廣闊的臨床應用前景。在臨床應用之前，該納米生物材料還需進(jìn)一步研究遺傳毒性及長(cháng)期植入試驗，觀(guān)察長(cháng)期植入生物體內后復合材料的化學(xué)、力學(xué)穩定性及材料微小顆粒溶解情況，為臨床應用奠定基礎。

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