犬脱钙骨基质颗粒骨水泥复合材料的生物力学性能.doc

犬脱钙骨基质颗粒骨水泥复合材料的生物力学性能作者：何一成周勇范清宇赵廷宝张殿忠 【关键词】脱钙骨基质颗粒 关键词:脱钙骨基质颗粒;骨水泥;生物力学;犬中图号:R687.3文献标识码:A 摘要:目的研究不同质量比的犬脱钙骨基质颗粒骨水泥复合材料的生物力学性能，为临床应用该复合材料修复骨缺损提供理论依据.方法按Urist等方法制备犬脱钙骨基质颗粒后，再与骨水泥混合制成含骨粒质量比为0，400，500和600mg・g-1的脱钙骨基质颗粒骨水泥复合材料，对其抗压极限强度、抗弯极限强度、抗扭转极限强度进行测定.结果含脱钙骨基质颗粒质量比为0，400，500和600mg・g-1的复合材料的抗压极限强度分别为（81.03.0），（50.45.9），（48.82.0）和（33.83.6）MPa;抗弯极限强度分别为（65.36.7），（42.98.1），（37.22.9）和（25.02.4）MPa;抗扭转极限强度分别为（35.50.8），（16.32.2），（13.12.0）和（8.01.4）MPa.结论犬脱钙骨基质颗粒骨水泥复合材料具有良好的生物力学性能，易于塑形，能根据需要适应不同部位骨缺损的要求，其中含骨粒质量比为500mg・g -1的复合材料生物力学性能及骨诱导活性最为适宜，能作为支架材料有效地修复大块骨缺损. Keywords:decalcifiedbonematrix;bonecement;biome-chanics;dogs Abstract:AIMTostudybiomechanicalpropertiesofdiffer-entmassratiomaterialsimpregnateddecalcifiedbonematrix（DBM）withbonecement（BC）indogs，andseeksomesoli-difiedprocessestorepairbonedefectswiththecompoundmaterial.METHODSTheDBMparticlesandthematerialsim-pregnated0，400，500，600mg・g -1massratioDBMparti-cleswithBCweremadeaccordingtothemethodsofUrist.Thecompoundmaterialcompressivestrength，bendingstrengthandtorsionalstrengthweremeasured.RESULTSInthecompoundmaterials，theultimatecompressivestrengthswere（81.03.0）MPafor0mg・g-1DBM，（50.45.9）MPafor400mg・g-1，（48.82.0）MPafor500mg・g-1，（33.83.6）MPafor600mg・g-1.Theulti-matebendingstrengthswere（65.36.7）MPafor0mg・g-1DBM，（42.98.1）MPafor400mg・g-1，（37.22.9）MPafor500mg・g-1，（25.02.4）MPafor600mg・g-1.Theultimatetorsionalstrengthswere（35.50.8）MPafor0mg・g-1DBM，（16.32.2）MPafor400mg・g-1，（13.12.0）MPafor500mg・g-1，（8.01.4）MPafor600mg・g-1.CONCLUSIONDBMimpregnatedwithBChasbetterbiomechanicalpropertiesandperfectplasticproperty，whichcouldbeusedtorepairlargebonedefectswhenitcon-tainsDBMof500mg・g-1. 0引言 研制理想的人工生物材料作为骨移植替代材料用于修复骨缺损，是当前骨科领域研究的主要课题之一.脱钙骨基质颗粒（decalcifiedbonematrix，DBM）用于骨缺损的修复临床上已多有报道1-3，由于DBM中含有骨形成蛋白而具有诱导成骨作用，但却因矿盐被去除，只留下有机部分骨基质，造成机械强度下降，不能承受应力，因此无法替代骨骼负重功能.骨水泥（bonecement，BC）是一种高分子聚合物，具有一定的生物力学强度，临床上早已被用作人工关节固定材料及骨缺损充填材料4，5，但单纯骨水泥填充骨缺损为机械填充，材料不能降解，且与骨界面间存在力学差异等缺陷.为使骨缺损修复材料有较好的生物力学性能，具备良好的骨传导和骨诱导能力，我们将犬脱钙骨基质颗粒与骨水泥按一定的比例复合制成生物性复合材料用于骨缺损的修复.我们报道这种复合材料的生物力学性能，为复合材料在临床的应用提供一定的科学依据. 1材料和方法 1.1材料 犬脱钙骨基质颗粒骨水泥复合材料的制备按Urist等6方法，取健康杂种家犬的四肢长骨，去除骨髓及软组织，砸成碎片，流水冲洗45h，用5倍于骨片体积的无水乙醇脱水2h，乙醚脱脂1h，室温下干燥过夜后置-80冰柜冻存，取出后用磨碎机将骨片粉碎研磨成骨粒，分样筛过筛筛取直径400800m的骨粒.骨粒室温下用0.5mol・L-1盐酸脱钙3h（按1g骨粒比50mL盐酸），脱钙后骨粒流水冲洗2h，再用5倍于骨粒体积的无水乙醇浸泡1h，乙醚浸泡30min后通风处干燥过夜，制得脱钙骨基质颗粒.将脱钙骨基质颗粒与适量的骨水泥均匀混合，制备成含脱钙骨基质颗粒质量比分别为0，400，500和600mg・g-1的复合材料，待骨水泥呈面团状时立即用力塞入5mL的注射器针筒内，并用最大力量推压以使复合材料在针筒内紧密接触，待复合材料聚合定型后取出，即制成含不同质量比的脱钙骨基质颗粒骨水泥复合材料样本（骨水泥为天津合成材料工业研究所研制）.生物力学测试样本7标准抗压试件为直径d=12mm，高度h=24mm的圆柱体，含0，400，500和600mg・g-1质量比骨粒的不同试件各10个，另截取犬的新鲜股骨标本10个，用砂轮磨平加工成直径d=12mm，高度h=30mm的圆柱体，所有试件两端光滑平整，上下同心.标准抗弯试件为直径d=12mm，长度L=60mm的圆柱体，含0，400，500和600mg・g-1质量比骨粒的不同试件各10个，另截取犬的新鲜股骨标本10个，用砂轮磨平加工成直径d=12mm，长度L=80mm的圆柱体.标准抗扭转试件为直径d=12mm，长度L=60mm的圆柱体，含0，400，500和600mg・g-1质量比骨粒的不同试件各10个，另截取犬的新鲜股骨标本10个，用砂轮磨平加工成直径d=12mm，长度L=80mm的圆柱体. 1.2方法 1.2.1压缩试验 在材料力学综合试验台上，用生物力学测试装置进行测定.该装置由加载部分、压力和位移传感器、动态应变仪、微型计算机自动记录系统组成，试样测定时统一加载速度为5mm・min-1.将抗压试件依次放在试验台上，对其施加压缩载荷，直至试件破坏，记下试件破坏时的载荷并算出抗压极限强度. 1.2.2三点弯曲试验 将抗弯试件置放于综合试验台上，试件跨距为40mm，在其中点加载，直至试件破坏，记录试件破坏时的载荷并计算抗弯极限强度. 1.2.3扭转试验 在扭转试验机上，用专用夹具将抗扭转试件的两端分别装于扭转试验机的固定夹头和活动夹头中，对其施加扭矩，加载速度为120・min-1，记录试件破坏时的载荷并算出扭转极限强度. 2结果 经统计学分析，复合材料中含DBM骨粒为400，500和600mg・g-1的生物力学性能均低于犬正常股骨组及骨水泥组（P<0.01，Tab1），有显著差异;含骨粒为400mg・g-1组及500mg・g-1组均高于600mg・g-1组（P<0.05），也存在差异;含骨粒为400mg・g-1组和500mg・g1组之间力学参数无差异.表1不同质量比复合材料及犬股骨的力学性能（略） 3讨论 理想的骨移植材料应具备:良好的生物相容性;较强的力学性能;有诱导成骨作用;能够被吸收替代;有良好的赋形性.DBM骨粒作为生物性骨缺损修复材料，在体内能被吸收替代，又具有成骨诱导活性，是骨缺损修复的最佳替代材料，但DBM骨粒本身不具备支撑能力，因此不宜用于修复承重长骨.骨水泥作为粘接赋形剂，易于塑形，有一定的力学性能，植入骨内起到镶嵌固定作用.我们将DBM骨粒与骨水泥按一定比例均匀复合，制成复合生物性修复材料，探索一条修复大块骨缺损的可行途径. 骨的生长及骨小梁的构建是根据Wolff定律，按机体生长的需要的应力分布排列，因此骨的生物力学特性较为复杂.修复骨缺损不仅要恢复骨形态的连续，更重要的是重建骨的支撑功能.这就要求骨移植材料的生物力学性能应达到正常皮质骨的力学性能，而不同的部位和不同程度的骨缺损修复要求不尽相同.本组实验中复合材料的生物力学性能低于犬正常股骨组，提示应用复合材料修复承重长骨骨缺损时，肢体应在保护下负重以分散部分载荷.在复合材料中随DBM骨粒所占的质量比增加，材料的抗压极限强度、抗弯极限强度和抗扭转极限强度均呈下降趋势，这是因随材料中DBM骨粒增加，材料间的孔隙及通道增多，造成材料的生物力学性能下降.我们既往在制作复合材料标准试件时8，模具中的材料不予加压使成自然裂隙状态下测定试件的生物力学性能，其结果为BC的抗压极限强度为（59.32.2）MPa、抗弯极限强度为（64.33.7）MPa;含DBM骨粒400mg・g-1组的抗压极限强度为（19.31.6）MPa、抗弯极限强度为（13.31.4）MPa.与模具中材料尽量加压塞紧后测定的力学性能（Tab1）有显著差异.提示临床上修复骨缺损填入复合材料时应尽量加压塞紧，以减少骨粒间的裂隙，便于提高复合材料的机械强度. 含骨粒为400mg・g-1组及500mg・g-1组的生物力学性能均高于600mg・g-1组，P<0.05，存在差异性;含骨粒为400mg・g-1组和500mg・g-1组的力学性能比较无差异.提示复合材料中DBM骨粒质量比不大于500mg・g-1时其力学性能较强，可用于承重骨及大块骨骨缺损的修复重建，而含DBM骨粒为600mg・g-1的复合材料因力学性能较低可用在长骨干骺端及松质骨等非承重骨部位骨缺损的修复. 由于复合材料具有一定的孔隙和较强的生物力学性能，它在修复骨缺损时可作为支架发挥骨传导作用，又因DBM骨粒具有诱导成骨活性，故此种生物源性复合材料有可能成为很有发展前景的骨移植替代材料.我们在动物实验的基础上9，已将复合材料应用于临床治疗肿瘤性骨缺损和长骨大段骨缺损，取得了令人鼓舞的疗效10，11，但其材料在体内的力学性能及吸收降解等问题尚有待于进一步研究. 致谢数据的统计学处理得到本校统计学教研室尚磊的指导. 参考文献: 1TuliSM，GuptaKB.BridgingoflargechronicosteoperiostealgapsbyallogeneicdecalcifiedbonematriximplantsinrabbitsJ.JTrauma，1981;21（10）:894-898. 2EinhornTA，LaneJM，BursteinAH，KopmanCR，VigoritaVJ.Thehealingofsegmentalbonedefectsinducedbydeminer-alizedbonematrixJ.JBoneJointSurg，1984;66A（2）:274-278. 3RosenthalRK，FolkmanJ，GlowackiJ.Demineralizedboneim-plantsfornonunionfractures，bonecysts，andfibrouslesionsJ.ClinOrthop，1999;364:61-69. 4LuSB，ZhuSX，ChenJY，WangJF，WangZL，TongYC，SunBQ，ZhangJH.TJ-bonecement:Preparationandclinicalappli-cationJ.ZhonghuaWaikeZazhi（JChinSurg），1980;18（3）:258-261. 5ODonnellRJ，SpringfieldDS，MotwaniHK，ReadyJE，Geb-hardtMC，MankinHJ.Recuurenceofgiant-celltumorsofthelongbonesaftercurettageandpackingwithcementJ.JBoneJointSurg，1994;76A（12）:1827-1833. 6UristMR，StratesBS.Boneformationinimplantsofpartiallyandwholly.DemineralizedbonematrixJ.ClinOrthop，1970;71:271-278. 7MengH，GuZH，TanZQ.OrthopedicbiomechanicsM.Bei-jing:RenminWeishengChubanshe（PeoplesMedicalPublish-ingHouse），1991:13-46. 8ZhouY，FanQY，CaiHP.ConstructiveandbiomechenicalpropertiesofmaterialofdecalcifiedbonematriximpregnatedwithbonecementJ.Di-siJunyiDa