生物陶瓷及其BMP和TGF复合物修复节段性骨缺损及成骨效应的研究

第２６卷第４期２００７年８月北京生物医学工程ＢｅｉｊｉｎｇＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．２６Ｎｏ．４Ａｕｇｕｓｔ２００７生物陶瓷及其ＢＭＰ和ＴＧＦ复合物修复节段性骨缺损及成骨效应的研究朱明华１曾怡１孙涛１王林１彭蔷１艾尚荣１蔡维东２摘要目的制备生物活性陶瓷细胞外基质复合材料，并通过动物体内骨植入研究，探讨人工骨材料对骨缺损的修复作用及相互作用机理，为骨替代材料临床应用提供依据。

方法合成ＴＣＰ、ＣＨＡ、ＨＡ，并将其作为ＢＭＰ的载体，制备成ＴＣＰ／ＢＭＰ、ＣＨＡ／ＢＭＰ复合材料，植入兔桡骨１０ｍｍ骨缺损，同时加入ＴＧＦ—Ｂ，，同时以单纯的ＴＣＰ、ＣＨＡ、ＨＡ材料组做对照。

通过ｘ线摄片及生物力学测定，扫描电镜及组织学染色分析等手段，观察新骨形成及材料的降解规律。

结果术后动物均无不良反应。

复合材料组植入２周时，骨断端部位可见软骨细胞；４周时可见新生软骨及骨组织，并向板层骨转化；８周时材料界面可见板层骨形成，ＴＣＰ、ＣＨＡ材料明显降解吸收，骨形成量明显增加；１６周时材料界面新生骨趋向成熟，ＣＨＡ材料降解区域由大量板层骨、骨髓组织填充；２４周时新骨形成进一步增加，骨组织接近正常，但ＨＡ降解不明显，复合材料组新骨形成量明显高于相应的单纯材料。

骨组织标本放射学及扫描电镜检测结果与组织观察结果基本一致。

１６周生物力学测定最大负载、弯曲及张力指标接近正常，与相应的单纯材料相比差异有显著性意义，说明细胞外基质的加入不仅有效地促进了新骨的形成，同时也加速了新骨的钙化。

结论三种生物陶瓷是细胞外基质的理想载体，生物陶瓷基质复合材料对骨缺损有较强的修复能力，其中可降锯生物陶瓷将是一类较为理想人工骨替代材料。

关键词生物活性陶瓷；细胞外基质；ＢＭＰ；ＴＧＦ－９。

；修复骨缺损中图分类号Ｒ３１８．０８文献标识码Ａ文章编号１００２—３２０８（２００７）０４—０４０１—０７ＲｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｎｅｗｂｏｎｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｓｅｇｍｅｎｔａｌｂｏｎｅｄｅｆｅｃｔｓｒｅｐａｉｒｅｄｗｉｔｈｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓａｓｃａｒｒｉｅｒｓｆｏｒＢＭＰａｎｄＴＧＦｉｎｖｉｒｏＺＨＵＭｉｎｇｈｕａｌ，ＺＥＮＧＹｉｌ，ＳＵＮＴａ０１，ＷＡＮＧＬｉｎｌ，ＰＥＮＧＱｉａｎ９１，ＡＩＳｈａｎｇｒｏｎ９１，ＣＡＩＷｅｉｄｏｎ９２１ＳｉｃｈｕａｎＣｅｎｔｅｒｏｆＤｉｓｅａｓｅＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１；２ＣｈｅｎｇｄｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１【Ａｂｓｔｒａｃｔ】０ｂｊｅｃｔｉｖｅＡｎｅｗｔｙｐｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｂｏｎｅｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｂｉｏｃｅｒａｍｉｃ（ＴＣＰ、ＣＨＡ、ＨＡ）ｗｉｔｈｅｘｔｒａｃｅｌｌｍａｔｒｉｘ（ＥＣＭ）ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｂｏｎｅｍｏｒｐｈｏｇｅｎｅｔｉｃｐｒｏｔｅｉｎ（ＢＭＰ）ａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｇｒｏｗｔｈｆａｃｔｏｒ（ＴＧＦ—Ｂ１）．ｉｔｗａｓｓａｍｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎａｓｂｏｎｅｔｉｓｓｕｅ，ａｎｄｏｓｔｅｏｉｎｄｕｃｔｉｖｅｏｆＥＣＭ．Ｉｎｏｒｄｅｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｔｏｕｓｅｈｉｓｍａｔｅｒｉａｌｔｏｒｅｐａｉｒｂｏｎｅｄｅｆｅｃｔａｎｄｒｅｌａｔｅｄｏｓｔｅｇｅｎｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｃｌｉｎｉｃ，ｔｈｅａｂｉｔｉｌｙｏｆｂｉｏｃｅｒａｒｍｉｃｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＴＣＰ／ＢＭＰ、ＣＨＡ／ＢＭＰ、ＨＡ／ＢＭＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎｂｏｎｅｄｅｆｅｃｔｓｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｂｙａｎｉｍａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ＭｅｔｈｏｄｓＴｙ’ｒｅｅｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓ（ＴＣＰ、ＣＨＡ、ＨＡ）ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅｄｗｉｔｈＥＣＭ（ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｇｒｏｕｐｓ）ａｎｄｗｉｔｈｏｕｔＥＣＭ（ｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐｓ）ｗｅｒｅｉｍｐｌａｎｔｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．ｂｏｎｅｄｅｆｅｃｔａｂｏｕｔ１０ｍｍｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｓｈａｆｔｏｆｔｈｅｒａｄｉｕｓｏｆｒａｂｂｉｔｓ．Ｔｈｅｒａｂｂｉｔｓｗｅｒｅｓａｃｙｉｆｉｃｅｄ２、４、８、１６ａｎｄ２４ｗｅｅｋｓａｆｔｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｓｅｒｖｅｔｈｅｎｅｗｂｏｎｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｓｅｒｉｅｓｏｆｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙｉｎｏｒｇａｎｉｃｓｕｂｔａｎｃｅ，ｂｉｏｍｅｃｈａｉｃａｌｌｙ，ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ａｎｄｈｉｓｔｏｌｏｇｉｃａｌｄｅｔｅｔｉｏｎ．ＲｅｓｕｌｔｓＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓｇｒｏｕｐａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｇｒｏｕｐｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄＯｎｔｈｓａｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄａｎａｌｙｓｅｄｔｈｅｌａｗｏｆｅｆｆｅｃｔｂｅｔｗｅｅｎｂｉｏａｅｔｉｖｅｃｅｒａｍｉｃｓａｎｄｂｏｔｈｏｆｏｓｔｅｏｂｌａｓｔａｎｄＥＣＭ．Ｄｅｔｅｔｉｏｎｃｈｏｎｄｒｏｃｙｔｅｓｗｅｒｅｆｏｕｎｄａｔ２ｎｄｗｅｅｋ，ａｎｄｎｅｗｌａｍｅｌｌａｒｂｏｎｅａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｂｅｔｗｅｅｎ４ｗｅｅｋｓａｎｄ１６ｗｅｅｋｓ，ａｎｄｔｉｓｓｕｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｎｅｗｂｏｎｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅａｃｈｅｄａｌｍｏｓｔｔｏｎｏｒｍａｌｂｏｎｅｌｅｅｌａｔ２４ｗｅｅｋｓ．ＴｈｅｓｐｅｅｄｏｆｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆＣＨＡ／ＢＭＰｗａｓｅｖｉｄｅｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｔｈｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆＸ—ｒｅｄ、ＳＥＭｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｗｅｒｅｔｈｅｓａｍｅｗｉｔｈｈｉｓｔｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．ＣｏｎｃｌｕｓｉｏｎＴｈｅｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｌｅ基金项目：作者单位：作者简介：国家自然科学基金（３０１７０２７３）资助１四川省疾病预防控制中心（成都６１００４１）２中国科学院成都有机化学所（成都６１００４１）朱明华（１９５３一），男，研究员，主要从事生物医学材料研究・４０２・北京生物医学工程第２６卷ｃｅｒａｍｉｃｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｏｎｅｋｉｎｄｏｆｇｏｏｄａｒｔｉｆｉｃａｌｂｏｎｅｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｍａｔｅｒｉａｌｔｏｒｅｐａｉｒｔｈｅｂｏｎｅｄｅｆｅｃｔ．【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｂｉｏａｃｔｉｖｅｃｅｒａｍｉｃｓ；ｅｘｔｒａｃｅｌｌｍａｔｃｉｘ；ＢＭＰ；ＴＧＦ—Ｂｌ；ｒｅｐａｉｒｅｄｂｏｎｅｄｅｆｅｃｔｓ细胞外基质（ｅｘｔｒａｃｅｌｌａｒｍａｔｒｉｘ，ＥＣＭ）是填充于细胞间的物质，骨细胞间信号传递主要为多肽物质，即生长因子，对骨细胞的生长与代谢起重要的作用。

与骨形成密切相关的生长因子，主要有转化生长因子（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｇｒｏｗｔｈｆａｃｔｏｒｓ，ＴＧＦＳ）及骨形成蛋白（ｂｏｎｅｍｏｒｐｈｏｇｅｎｅｔｉｃｐｒｏｔｅｉｎｓ，ＢＭＰ）。

ＴＧＦ—Ｂ是调节骨形成的重要生长因子，国内外大量研究表明，内源性ＴＧＦ－Ｂ有明显促进骨愈合的作用…。

ＢＭＰ是骨生长的启动因子，能诱导间充质细胞分化成骨细胞和骨细胞，促进钙化作用，产生钙化基质∽ｏ。

单独应用易被机体很快吸收，不能最大限度地发挥诱导成骨作用。

生物陶瓷具有同骨的矿化成分及结构相似性，而且用骨重建的载体材料具有良好的生物相容性和骨引导性¨ｏ，然而外源性ＢＭＰ、ＴＧＦ—Ｂ与生物陶瓷复合对骨折愈合相互作用的关系目前不清楚，并且三种物质复合用于治疗骨折的报道较少，研究多为单一材料，缺乏多种生长因子与不同生物陶瓷复合材料体内成骨活性的系统研究。

本研究参考有关文献方法，合成并制备了羟基磷灰石（ｈｙｄｒｏｘｇａｐａｔｉｌｅ，ＨＡ）、磷酸三钙（ｔｒｃａｌｃｉｕｍｐｈｏｒｓｐｈａｔｅ，ＴＣＰ）、胶原羟基磷灰石（ｃｏｌｌａｇｅｎＨＡ，ＣＨＡ）等多种生物陶瓷材料，并根据组织工程学原理将其作为ＢＭＰ和ＴＧＦ．ｐ细胞外基质载体，制成既有骨诱导活性，又具有骨传导及引导作用的生物活性人工骨复合材料，并用于修复兔桡骨节段性缺损，研究比较不同材料的骨修复能力及细胞外基质复合材料对骨折愈合的影响，探讨复合人工骨材料在骨修复中的相互作用及对骨缺损修复的效果，以寻求更好的载体材料，为临床应用提供参考依据。

１材料与方法１．１材料１．１．１实验动物选择健康成年大耳白兔６５只，雌雄各半，体重２．０～２．５ｋｇ，由中国医学科学院输血所动物实验中心提供。

１．１．２实验材料ＨＡ、ＴＣＰ、ＣＨＡ由四川大学及中国医学科学院生物医学工程所提供。

ＨＡ／ＢＭＰ、ＴＣＰ／ＢＭＰ、ＣＨＡ／ＢＭＰ由第四军医大学西京医院骨科进行材料复合制备。

１．１．３主要试剂骨形成蛋白（ＢＭＰ），由第四军医大学西京医学院骨科研究综合骨库提供，经小鼠肌袋实验证明有骨诱导活性。

转化生长因子一８，（ＴＧＦ－Ｂ。

），由成都雅信医疗科技有限公司进口分装提供。

静脉注射用硫喷妥钠，批号０３０４０１，由上海新亚药业有限公司生产提供，使用时用０．９％ＮａＣｌ液配制成１７ｍｇ／ｍｌ溶液备用。

１０％多聚甲醛组织固定液及脱钙液：由四川大学按标准方法配置提供。

１．１．４主要仪器ＡＭＫＮＹ一１００型扫描电子显微镜，由中科院化学所测试中心提供。

ＩＮＳＴＲＯＮ８８７４生物力学测试系统（ＩｎｓｔｒｏｎＣＯ，ＵＳＡ），由四川大学华西医院骨科提供。

日本岛津８００ＭＡ型ｘ光机，四川省疾病预防控制中心提供。

１．２方法１．２．１ＨＡ、ＴＣＰ、ＣＨＡ材料制备参照有关文献方法‘４｜。

１．２．２ＨＡ／ＢＭＰ／ＴＧＦ—ｐ１、ＴＣＰ／ＢＭＰ／ＴＧＦ—ｐｌ、ＣＨＡ／ＢＭＰ／ＴＧＦ．Ｂ，复合人工骨材料（简称ＨＡ、ＴＣＰ、ＣＨＡ基质复合材料）制备详见参考文献＂ｏ。

１．２．３植入手术随机分为７组，其中ＨＡ、ＴＣＰ、ＣＨＡ材料组及相应复合材料组各１０只，空白对照组５只。

按２ｍｌ／ｋｇ，采用注射用硫喷妥钠麻醉剂耳静脉注射。

于前肢外侧纵行切口，骨膜外显露桡骨于中１／３，用手术刀纵行切开骨膜并分显露骨组织，用电动裂钻横行截断骨组织，形成１０ｍｍ节段骨性缺损。

于桡骨缺损处分别植入ＨＡ、ＴＣＰ、ＣＨＡ或ＨＡ、ＴＣＰ、ＣＨＡ复合物加ＴＧＦ．Ｂ，，空白对照组旷置。

然后分别于２周、４周、８周、１６周、２４周分别处死动物（ＨＡ、ＴＣＰ、ＣＨＡ及相应的复合材料组，各组分别２只，空白组１只），取前肢整个尺桡骨作ｘ光照片观察，部分桡骨作生物力学测定。