生物可吸收性高强度棒用于骨折内固定.doc

精品论文，值得推荐生物可吸收性高强度棒用于骨折内固定 作者：杨团民,刘淼,杨爱玲,石宗利 【关键词】 聚乳酸 【Abstract】 AIM: To find an ideal biomaterial for internal fixation. METHODS: Twenty rabbits with fracture of the femur diaphysis （superiorcondyle） were treated by intramedullary nailing of femur with composites rod of resorbable DLpolylactic acid (PDLLA)calcium metaphosphate (CMP). The animals were sacrificed at 2, 4, 8 and 12 weeks after surgery. The fracture healing, the material degradation and mechanical properties were studied with Xray films, macroscopic, microscopic and electron microscopic observations. RESULTS: No marked inflammatory reaction was found and all the fractures healed with material resorbed. At 12 wk, the 95% CI of the bending strength, the elastic modulus and the tensile strength of the PDLLACMP fibers composites was 78.88-92.32 MPa, 6.24-7.24 GPa, 93.91-111.57 Mpa, respectively. CONCLUSION: The PDLLACMP has an excellent biocompatibility and mechanical properties, and it may be a promising implant material in orthopedics surgery. 【Keywords】 DLpolylactic acid; calcium metaphosphate; fiber composites; bioresorbable medical material; fracture healing; biocompatibility 【摘要】 目的: 寻找一种理想的生物内固定材料. 方法: 用生物可吸收性聚乳酸/偏磷酸钙复合物棒对20只兔股骨髁上实验性骨折行髓内固定，术后2, 4, 8和12 wk分别经X线摄片、肉眼、光镜和电镜对骨折的愈合、材料的降解性能和力学性能进行观察. 结果: 骨折端无明显的炎性反应和异物反应，所有骨折均愈合，骨折最终愈合后固定材料逐渐重吸收. 12 wk时PDLLA/CMP复合材料弯曲强度95%CI为78.8892.32 MPa，弹性模量95%CI为6.247.24 GPa，拉伸强度95%CI为93.91111.57 MPa. 结论: 聚乳酸/偏磷酸钙复合材料生物相容性和机械性能良好，是一种有前途的骨外科内固定材料. 【关键词】 聚乳酸；偏磷酸钙；纤维复合物；生物可吸收医用材料；骨折愈合；生物相容性 0引言 金属接骨板技术是一种侵入性修复骨折的传统方法. 接骨板可以保护骨折的骨骼免受很大的生理应力，但常需二次手术取出金属或其他非吸收性接骨板，且愈合骨不能达到支撑正常负荷易引起再次骨折1-3. 为克服这些缺点，我们自行研制了一种新型重吸收高强度复合材料，其力学性能达到健康骨的原始强度和硬度. 本实验对该复合材料棒用于骨折内固定时对骨折愈合的影响及其降解吸收,强度维持及组织反应性进行初步探讨,以了解其开发及应用前景,为临床应用提供新的内固定材料. 1材料和方法 1.1材料 试件制备:采用分析纯的混旋乳酸为原料,经减压蒸馏制得单体丙交酯，再以氧化锌为催化剂，高温聚合得聚乳酸，相对分子质量为1.21051.5105. 纤维经熔融抽丝工艺制得直径约2550 m，长度为10 cm4的偏磷酸钙(calcium metaphosphate, CMP)，复合材料棒采用层压结构技术制作，将聚乳酸溶于氯仿后均匀涂于平行排列的CMP纤维上，将聚乳酸预先溶于氯仿以提高纤维和膜的结合力，两种材料交互逐层叠加. 将层板放入模型中施压加热并置入真空容器中去除残留溶剂，制成PDLLA/CMP材料，裁制成4 mm4 mm45 mm长棒状材料. 分装后环氧乙烷消毒备用. 1.2方法 实验动物为健康成年新西兰兔20只,雌雄不拘,体质量3.04.0 kg (平均3.5 kg ),用戊巴比妥钠(30 mg /kg, ip)麻醉，无菌条件下，取右下肢膝内侧切口，将膝关节脱位，用4 mm直径骨钻在股骨髁间窝逆行钻孔深达股骨髓腔，然后在股骨髁上1 cm处线锯截断，制成骨折模型. 骨折线为横形，对骨折模型进行复位，将直径为4.0 mm、长4.5 cm的可吸收PDLLA/CMP棒经股骨髁间钻孔，逆行击入股骨髓腔，固定骨折端. 术后分笼饲养，自由活动. 术后2, 4, 8, 12 wk拍右股骨正侧位X线片后,于麻醉状态下切取骨折愈合区骨痂, 40 g/L甲醛固定,脱钙、切片、行HE染色，同时自髓腔内取出PDLLA/CMP棒行力学测试及制成扫描电镜标本，于JEM1200EX型扫描电镜下观察. 统计学处理: 计量资料以xs表示. 2结果 21X线表现X线片显示各个时期无畸形愈合、延迟愈合和骨不连. 22大体观察全部实验动物无意外死亡及伤口感染,无窦道形成. 实验骨折区周围软组织在各期未见明显肿胀及渗液. 2 wk时，PDLLA/CMP棒外形完整，强度无变化；4 wk时，内固定物外形完整，外被菲薄纤维性包膜，质硬，强度无下降；8 wk时，内固定物表面外包一薄层骨痂，无骨组织长入材料，骨与材料间有一层纤维囊，材料形态完整，强度无明显下降且未见明显降解；12 wk时，内固定物皱缩，强度下降并已降解，材料自髓内完整取出. 23光镜观察组织学检查显示骨折端愈合良好且有明显的血管再生，无炎性，无异物反应和特殊的组织反应. 切骨端在6 wk完全愈合. 24材料超微结构观察原始材料，PDLLA/CMPF内固定物断端扫描电镜见CMPF排列整齐，PDLLA与CMPF附着紧密、均匀. 8 wk内，PDLLA/CMPF内固定物扫描电镜显示材料无降解，CMPF表面光滑平整，PDLLA与CMPF附着紧密，排列整齐（Fig 1）；12 wk时，PDLLA/CMPF材料有明显降解，PDLLA开始碎裂，片状剥脱，CMPF表面亦有侵蚀样改变，CMPF外形可辩，有少量组织长入材料（Fig 2）. 25力学性能测试PDLLA/CMP复合材料力学性能测试结果见Tab 1. 12 wk时PDLLA/CMP复合材料弯曲强度95%CI为78.88 92.32 MPa，弹性模量95%CI为6.247.24 GPa，拉伸强度95%CI为93.91111.57 MPa. 人松质骨弯曲强度正常值为1020 MPa.表1PDLLA/CMP复合材料力学性能测试结果（略） 3讨论 一般认为良好的可吸收骨折内固定物应具备:CMPF lines up in order and PDLLA and CMPF are attached to each other tightly and uniformly, and internal fixation device of PDLLACMPF does not degrade. The surface of CMPF is smooth, equal and lines up in order. 足够的强度以达到坚强的固定,弹性模量和骨接近且植入后强度逐渐衰减以使应力作用于骨折端,促进骨折愈合；无抗原性、致畸性、致突变性和致癌性，对宿主无毒无害；良好的生物可吸收性和生物相容性、适度的生物降解性,降解产物可经生理排泄途径清除或成为骨愈合的成分；尽可能少的并发症1，5，6 . 常见熔模技术制作的聚乳酸材料的初始强度不能满足骨外科应用的强度，当聚乳酸材料被增强时它们的机械性能随之提高. 聚乙醇酸纤维增强聚乳酸后可适合于固定松质骨，但不能用于长骨的固定. 一些研究者亦用非重吸收性的增强纤维以提高生物可降解聚合物的强度用于内固定或达到稳定骨折的作用并且发现碳纤维是最常用的增强物，这种复合物可在体内分解而且逐渐地将负载由内固定器材转移愈合骨. 然而，它们是非完全生物可降解材料因为当可吸收基质完全吸收后增强碳纤维成分仍存于体内. 碳虽然具有生物相容性，但它不能重吸收，而且碳纤维碎片扩散到周围组织引起明显不良反应. 我们研制的重吸收生物相容性纤维增强复合材料作为侵入性骨折内固定材料，基质材料选用DL聚乳酸，增强纤维为在化学和晶体学特征上与人体骨矿物质相近，可适应不同特殊用途而任意裁剪的生物可降解偏磷酸钙. 复合材料有足够的初始强度允许骨折愈合而不产生应用刚性钢板引起的应力性骨萎缩，且随着骨折愈合内固定棒逐渐吸收. 动物植入及组织培养研究表明，偏磷酸钙具有良好的生物相容性，亦未发现毒性反应7，其降解产物经三羧酸循环代谢. 复合物基质材料DL聚乳酸的生物相容性已为众多的研究所共识8，9. 偏磷酸钙的组成成分及其降解产物同样具有生物相容性和成骨性且被骨折所利用10. Hollinger等11表明DL聚乳酸呈现一定程度潜在的成骨性,Higashi等12认为复合物材料中溶解释放的Ca2+, PO43-离子在新骨形成过程中可能被利用，对骨愈合也有积极作用. 运用偏磷酸钙增强纤维不但能提高材料的强度，而且可通过其调整内固定物的机械性能以适应特殊应用，同样地，正确地选择生物可降解基质在材料特性方面影响其降解速率，因为生物可降解聚合物是热塑性的. 目前研究的目的是测定PDLLA/CMP复和物棒在体内的特性并评估其生物相容性及其力学性能. 超微结构观察到PDLLA和CMP纤维复合后，两种材料结合附着紧密，复合材料PDLLA/CMP的初始弯曲强度是单纯PDLLA材料的4倍以上. 材料植入体内12 wk时力学性能仍高于松质骨的强度（弯曲强度为1020 MPa）. 从X线片、大体、光镜结构观察，骨折最终均完全愈合，未见炎症及异物反应. 骨折愈合速度实验组与不锈钢针对照组同步进行. 研究结果表明PDLLA/CMP棒是一种新型的完全重吸收高强度复合材料，有良好的生物相容性及力学性能，其初始强度和健康骨相仿且允许达到基本的骨性愈合，是一种有前途的骨外科内固定材料. 【参考文献】 1 Kelley BS, Casper RA, Dunn RL.Totally resorbable highstrength bone plate for internal fracture fixationA. Biomedical Engineering IV Recent Developments M. New York: Pergamon Press, 1985: 26-31. 2 Majola A, Vainionpaa S, Rokkanen P, et al. Absorbable selfreinforced polylactide SRPLA composite rods for fracture fixation: Strength and strength retention in the bone and subcutaneous tissue of rabbits J. Mater Sci Med, 1992; 3:43. 3 Rokkanen P. Absorbable implants in the fixation of fractures J. Ann Chir Gynaecol, 1990; 79: 117-122. 4 常青，石宗利，李重庵. 偏磷酸钙可降解纤维的研究J. 环境科学, 1997; 18（2）：52-53. Chang Q, Shi ZL, Li CA. Studies on degradable calcium polyphosphate fibers J. Chin J Envirom Sci, 1997; 18(2): 52-53. 5 Bostan OM. Absorbable implant for the fixation of fractures J. J Bone Joint Surg Am, 1991; 73: 148-152. 6 Matsusue Y, Hanafusa S, Yamamuro T. Tissue reaction of bioabsorbable ultra high strength poly (Llactide) rod J. Clin Orthop, 1995; 317: 246-250. 7 Lee YM, Seol YJ, Lim YT, et al. Tissueengineered growth of bone by marrow cell transplantation using porous calcium metaphosphate matrices J . Biomed Mater Res, 2001; 54(2): 216-223. 8 Mainil VP, Rhan B, Gogolewski S. Longterm in vivo degradation and bone reaction to various polylactides J. Biomaterials, 1997;