（生物医学工程专业论文）载雌二醇超高分子量聚乙烯的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 药物达到后期稳定释放时，其药物的释放量基本满足临床要求。 体外细胞实验表明，雌二醇在一定浓度范围内对成骨细胞增殖和碱性磷 酸酶( 6 曲) 的分泌有一定的促进作用，更重要的是磨屑中的药物在实验采 用的所有浓度下均可以发挥抑制溶骨性因子白介素一6 的作用，说明载药超 高分子量聚乙烯中的雌二醇有可能在人工关节中起到防治骨溶解的作用。载 药磨屑对巨噬细胞增殖的促进作用与未载药磨屑的作用无显著性差异，两组 样品均能够刺激巨噬细胞的吞噬作用。 通过本实验的研究我们得到了一种具有潜在抑制骨溶解作用的载雌二 醇超高分子量聚乙烯材料，这种材料具有和纯高分子量聚乙烯材料相同的良 好力学性能和耐磨损性，同时材料中的雌二醇能够直接作用于成骨细胞，促 进成骨细胞的增殖并且抑制成骨细胞分泌溶骨因子白介素一6 分泌的作用， 从而有可能抑制骨溶解的发生，提高人工髋关节的使用寿命。 关键词：雌二醇；超高分子量聚乙烯；骨溶解；磨损颗粒；药物释放：细胞 培养 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s 仃a c t t h ew e a rd e b r i s - i n d u c e do s t e o l y s i sw a sc o n s i d e r e da st h em a i nr e a s o nf o r t h ea s e p t i cl o o s e n i n ga f t e rt o t a lh i pa r t h r o p l a s t y a n di th a sb e e nw e l lr e p o r t e d t h a tt h eu h m w p ew e a rp a r t i c l e sw a st h em a j o rc o n c e r nf o rt h eo s t e o l y s i s f u r t h e rc o n s i d e r a t i o nh a sn o wb e e ng i v e nt ot h ed r u gt r e a t m e n to ft h e o s t e o l y s i sb yt o p i c a l a d m i n i s t r a t i o n i th a sn o tb e e nf o u n dt h a tu l t r a - h i g h m o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ( u h m w p e ) w a su s e da st h ed r u gc a r r i e rt o p r e v e n tt h ep a r t i c l e - i n d u c e do s t c o l y s i s 。t h e r e f o r e ，l7 p - e s t r a d i o l ( e 2 ) ，w h i c hh a d t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o no no s t e o l y s i st r e a t m e n ta n dt h eh i g hm e l t i n gp o i n t ，w a s a d d e di n t ou h m w p e p o w d e rt op r o d u c eu h m w p e e 2c o m p o s i t e st h r o u g hh o t p r e s sp r o c e s s i n g i tw a se x p e c t e dt h a te 2i nt h eu h m w p e - e 2a c e t a b u l a rc u p c o u l db er e l e a s e d 、析mt h ei n e v i t a b l eu h m w p ew e a rp a r t i c l e st op r e v e n tt h e a r t i f i c i a lj o i n tl o o s e n i n gf m a l l y t h ef u n c t i o n a lg r o u p ，w a t e rc o n t a c ta n g l e ，c r y s t a l l i n i t y ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dw e a rp e r f o r m a n c eo fu h m w p e - 1 3 2w a sc h a r a c t e r i z e dc o m p a r e dt ot h e c o n t r o lu r m w p ei nt h ep r e s e n ts t u d y a n dt h ei nv i t r od r u gr e l e a s ef o rt h e u h m w p e - e 2w e a rd e b r i sw a si n v e s t i g a t e d t h eu h m w p e e 2w e a l d e b r i sw a s c o - c u l t u r e dw i 也o s t e o b l a s t sa n dm a c r o p h a g e st oi n v e s t i g a t et h e i rb i o l o g i c a l r e a c t i o nt ot h ew e a rd e b r i si n c l u d i n gt h ec e l lp r o l i f e r a t i o n ，d i f f e r e n t i a t i o na n dt h e e x p r e s s i o no fo s t e o l y s i sf a c t o r s t h et h e r m a la n a l y s i s ( t a ) a n df o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eh o tp r e s sp r o c e s s i n gw o u l dn o ta l t e rt h e f u n c t i o ng r o u po fe 2i n t h i ss t u d y t h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei n h y d r o p h o b i c i t ya n dc r y s t a l l i n i t yb e t w e e nu h m w p e e 2a n du h m w p e t h e u h m w p e e 2s h o w e ds a t i s f y i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gu l t i m a t e t e n s i l es t r e n g t h ( 4 7 24 - 3 6m p a ) ，y i e l ds t r e n g t h ( 2 5 0 - 60 6m p a ) a n de l o n g a t i o n a tb r e a k ( 3 2 0 - 62 5 5 ) ，w h i c hs a t i s f i e dt h ed e m a n d i n go ft h ea s t mf6 4 8 0 4 t h ef r i c t i o nc o c 伍c i e n t sa n dw o r ns c a r sw e r es i m i l a rb e t w e e nt h eu h m w p e e 2 a n dt h ec o n t r o lu h m w p e t h ew e a rm e c h a n i s mo fu h m w p e e 2a n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 u h m w p eb o t hw e r ea b r a s i v ew e a ru n d e rd r yf r i c t i o n t h er e s u l t so ft h ei nv i t r od r u gr e l e a s es h o w e dt h a tt h e r ew e r et h r e es t a g e s d u r i n gt h er e l e a s ep r o c e s si n c l u d i n gi n i t i a ls u d d e nr e l e a s e ，t h ef o l l o w i n gc e l e r i t y r e l e a s ea n df i n a l s t e a d yr e l e a s e a n dt h ed r u gr e l e a s ea m o u n ts a t i s f i e dt h e d e m a n d i n go f c l i n i cd u r i n gt h ef i n a ls t e a d yr e l e a s e t h er e s u l t so ft h ee e l lc u l t u r ei n d i c a t e dt h a tt h eu h m w p e e 2w e a l d e b r i s c o u l dp r o m o t et h ep r o l i f e r a t i o na n dt h ea l pe x p r e s s i o no fo s t e o b l a s t si ns o m e c e r t a i nd o s a g e s m o s ti m p o r t a n to fa l l ，t h eu h m w p e e 2w e a l d e b r i sc o u l d i n h i b i tt h ee x p r e s s i o no fl l - 6a ta l ld o s a g e si nt h ep r e s e n ts t u d y , w h i c hi n d i c a t e d t h a tt h ee s t r a d i o li nu h m w p e - e 2m i g h tp l a yar o l ei nt h et r e a t m e n to ft h e o s t e o l y s i s i na r t i f i c i a l h i pj o i n t t h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h e p r o m o t i o no ft h em a c r o p h a g e sp r o l i f e r a t i o nb e t w e e nt h eu h m w p e - e 2a n d u h m w p ew e a l d e b r i sa n dt h e ya l ls t i m u l a t e dt h e p h a g o c y t o s i s o ft h e m a c r o p h a g e s t h ep r e s e n ts t u d yi n d i c a t e dt h a tt h eu h m w p e e 2p o s s e s s e dt h ea p p r o v i n g m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a r p e r f o r m a n c ec o m p a r e d t ot h ec o n t r o lu h m w p e ， w h i c hm i g h tb eu s e dt h ep o t e n t i a li m p l a n t e dd r u gc a r r i e rt o p r e v e n tt h e p a r t i c l e - i n d u c e do s t e o l y s i si nj o i n tr e p l a c e m e n t s m o r e o v e rt h ee s t r a d i o li nt h e u h m w p e e 2w e a rd e b r i sc o u l dd i r e c t l yp r o m o t et h ep r o l i f e r a t i o no fo s t e b l a s t s a n di n h i b i tt h es e c r e t i o no ft h eo s t e o l y s i sf a c t o ri l - 6 t h e r e f o r ei tm i g h tp r e v e n t t h eo s t e o l y s i sa n d p r o l o n gt h el i f e t i m eo f t h e a r t i f i c i a lh i pj o i n tf i n a l l y k e yw o r d s ：17 p e s t r a d i o l ；u h m w p e ；o s t e o l y s i s ；w e a rd e b r i s ；d r u gr e l e a s e ；c e l l c u l t u r e 西南交通大学四南爻通大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密岛，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：；l 曼彳 日期：2 0 0 8 年5 月 指导老师签名：届 日期：2 0 0 8 年5 月 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 由于超高分子量聚乙烯成型加工的困难和药物热稳定性的局限，目 前尚未见载抑制骨溶解药物超高分子量聚乙烯的研究报道，载药超 高分子量聚乙烯研究的思路具有创新。 2 载药磨屑的药物释放、以及对细胞或骨溶解的作用规律及机制等研 究具有创新。 3 本研究利用磨屑所载的药物，将有害的磨屑变为抑制骨溶解的药物 载体，通过抑制骨溶解，预防假体松动，提高人工关节假体的使用 寿命，避免了口服或注射给药等途径所带来的副作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 人工髋关节置换术概况 1 1 1 人工髋关节置换术发展和现状 人工髋关节置换就是对因疾病或肿瘤造成的关节破坏进行修复，解除关 节疼痛、畸形和功能障碍，重建一个功能接近正常的关节。2 0 世纪6 0 年代 c h a m l e y 通过大量临床实践和基础研究，确立人工关节假体设计中的低摩擦原 理，选择了金属一超高分子量聚乙烯组合来替代金属一金属组合和现代骨水泥技 术，使得人工髋关节置换术的临床效果出现较大的进步 1 】o 人工髋关节置换术 在临床的成功应用，为治疗晚期严重关节疾病如骨关节炎、类风湿关节炎、 老年人髋部骨折、股骨头坏死，重建关节，缓解或解除疼痛，改善关节的功 能提供了极大可能，使患者重返正常的生活方式，显著地提高了众多骨关节疾 病患者的生活质型2 一。 2 0 世纪7 0 年代以来，人工髋关节在基础研究、设计生产和临床应用三方 面的发展十分迅速，髋关节置换手术广泛开展。经过数十年的努力，人工全 髋关节的近中期良好疗效己得到普遍认可。目前全世界每年约有1 5 0 万人接 受人工关节置换术【2 】。据卫生部2 0 0 5 年调研报告，2 0 0 4 年我国约有5 万余 例人工关节置换手术，在2 0 0 0 至2 0 0 4 年间，我国人工关节置换术的病例数 以年平均2 0 的增长率增长。据统计，2 0 0 0 年美国约有5 0 0 ，0 0 0 例人工全髋 关节置换，其中有1 1 的患者在4 0 岁以下。按照这样的速度发展，到2 0 1 0 年大概有4 0 ，0 0 0 ，0 0 0 约4 0 岁的患者需要接受人工全髋关节置换【4 】。患者的 年轻化对人工全髋关节置换提出了更高的要求。而目前人工关节的术后松动 问题使得人工全髋关节的使用寿命在1 5 至2 0 年之耐5 1 ，还远远不能满足年轻 患者的要求。所以，对于人工髋关节的研究也必将继续深入下去。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 人工髋关节的结构与材料 人工髋关节置换可分为单纯人工股骨头置换和同时置换髋臼和股骨头 的全髋关节置换。根据固定方式的不同，又分为骨水泥固定型和非骨水泥 固定型( 生物固定型) 【6 】。骨水泥固定型全髋关节包括三部分：聚乙烯髋臼 假体、金属球头和金属股骨柄假体。非骨水泥型全髋关节包括四部分：金 属外杯、聚乙烯内衬、金属或陶瓷球头和金属股骨柄假体。人工关节类型 及固定方式应由医生根据病人的年龄、髋关节病变情况以及骨质条件等作 出选择。 图1 - 1 所示为人工全髋关节假体在植入人体内后的模拟示意图。股骨头 由光滑坚固的合金或陶瓷制成，关节柄多呈锥形，可插入人体股骨上段骨髓 腔内，与股骨紧密地结合，股骨头与关节柄可组装在一起。另一部分为与骨 盆结合的髋臼部，它的内层一般为超高分子量聚乙烯衬垫，与金属股骨头构 成光滑耐磨的关节。 p e l v i s a c e t a b u l a rc u p f e m o r a lh e a d f e m o i a ls t e m f e m u r 图1 1 人工全髋关节假体植入体内的示意图门：p e l v i s ( 骨盆) ；a c e t a b u l a rc u p ( 髋臼) ； f e m o r a lh e a d ( j 殳骨头) ；f e m o r a ls t e m ( 股骨关节柄) ；f e m u r ( 股骨) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 一) 髋臼假体 骨水泥固定的超高分子聚乙烯髋臼为半球形，外径与自然髋臼接近，内 径与全髋关节假体的球头一致，内面光洁度要求很高，应达到镜面光，壁厚 不小于6 - - 8 m m ，外表面带有适当深度的横向环形沟槽和纵向沟槽，以利于 假体和骨水泥的机械交锁固定。髋臼的外缘有x 线显影用的金属丝环。这种 髋臼适用于高龄或有骨质疏松的患者。 尽管人工髋臼假体的固定有许多改进，但因其在翻修时，有时伴大量骨 质缺损以及骨水泥取出困难，因此，近年来倾向于采用非骨水泥固定的人工 髋臼，特别是对年轻患者。 非骨水泥固定的髋臼假体，即在聚乙烯髋臼的外面套有金属臼罩，两者 机械配合，罩的表面带有多层金属网、珍珠面、微孔面或螺旋面。初期固定 多采用螺钉或紧压配合等方法，并通过骨长入形成比较牢固的生物固定效 果。目前较有争议的是金属外壳带螺纹的假体，利用旋转螺纹嵌入髋臼内， 欧洲国家仍在沿用，而美国因怀疑其松动率高而停用。用骨水泥固定的带金 属外壳的髋臼假体并无明显的优越性，现在已很少使用。 非骨水泥的多孔面金属髋臼经+ 1 0 多年随访，临床效果较好，正继续观 察。组合式的髋臼目前受到推崇并广泛使用。但由于组合部件连接处的磨损 和腐蚀，可能会形成新的磨屑源，从而引起骨溶解和孤立的假体断裂，所以 还有待近一步研究。 ( 二) 全髋关节假体球头( 股骨头) 一般采用超半球形，选用不锈钢( 如3 1 6 l 型) 、钴铬钼合金、钴基合金 等耐磨性高和抗腐蚀材。近年来氧化铝( a l 2 0 3 ) 陶瓷被用制作人工股骨头，具 有良好的生物相容性，强度也较金属高，并有较好的抗磨损能力【8 】。 ( 三) 髋关节假体柄 假体柄使用的材料主要有不锈钢、钴铬钼合金和钛及钛合金等。结构包 括骨水泥固定和非骨水泥固定两种，其中有带前倾角的解剖型和不带前倾角 的通用型。非骨水泥固定的髋关节假体主要有珍珠面、微孔面、金属表面喷 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 涂的复合材料及紧压配合型。 1 1 3 人工髋关节置换存在的问题 人工髋关节置换使众多骨关节病人的生活质量得到改善，但由于各方面 的原因，目前人工髋关节寿命还不能满足临床的需要。目前影响人工髋关节 寿命的主要原因有二：一是由于手术过程中移植物与骨的固定不理想导致的 机械性松动；二是无菌松动( a s e p t i cl o o s e n i n g ) 影响人工髋关节的远期寿命， 后者的主要原因就目前的研究来说是人工关节的磨损颗粒引起的假体周围的 骨溶解。目前，由假体周围的骨溶解引起的无菌性松动是人工髋关节置换存在 的主要问题【9 】。 人们对无菌关节松动的认识经历了一个发展过程【1 0 】：过去一般将这种非 感染性松动单纯归咎于假体与骨界面间的密贴欠佳、假体安装位置不良、骨 水泥碎裂等力学原因，认为是一种机械性松动。但近年来人们认识到：人工 关节后期松动除上述因素外，主要与假体长期磨损或离解产生的颗粒所诱导 的生物学反应有关。假体周围这些颗粒包括聚乙烯碎屑、金属碎屑、骨水泥 碎骨、陶瓷碎屑等【l l 】。植入材料的磨损微粒碎屑所诱导的细胞活化反应、细 胞因子释放及其酶类激活等生物反应被认为与全髋关节成形术中假体周围 骨溶解和无菌性松动有很大关系【1 2 1 。 1 1 4 提高人工髋关节置换远期效果的有效途径 由于人工髋关节置换术特别是超高分子量聚乙烯的使用使无数骨病患 者的痛苦得以缓解，因此提高人工髋关节置换的远期效果，以减少人工关节 的松动翻修带给病人的二次痛苦就显得非常重要。提高人工关节远期疗效的 关键在于减少磨损颗粒的产生及降低其诱导的溶骨反应。目前关于解决和预 防磨屑导致的骨溶解的研究主要集中在以下两个方面： 1 ) 从摩擦学和材料学角度减少磨损颗粒的产生。目前的研究主要有两 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 种途径。 第一种途径是选择更匹配的摩擦副，如陶瓷对陶瓷 1 3 】，金属对金属【1 4 】 和陶瓷对金属【1 5 】等来降低人工关节的磨损。在人工髋关节中，早期使用的金 属头金属臼假体因其设计不佳和摩擦扭距高，易发生关节的早期松动而停 用。但现在发现聚乙烯臼的远期松动率较高，而随着金属材料和假体设计的 改进，金属金属假体的远期松动率却较低。因此，金属金属假体重新得到 重视。钴铬合金是目前抗磨损性能最强的金属。在金属接触表面涂层特殊 表面物质，能大大提高关节接触面积的摩擦性能，减少磨损颗粒的产生。近 来，等离子喷涂技术的运用也能极大地降低接触面的摩擦【1 6 】。 第二种途径是通过改进超高分子量聚乙烯的理化性质提高其磨损性能。 一般通过丫射线辐射交联改性、离子注入和填充改性等方法提高超高分子量 聚乙烯的耐磨性【1 7 。9 】，尤其是通过辐射交联改性的超高分子量聚乙烯已被应 用于临床；射线辐照导致的交联可以增加超高分子量聚乙烯的耐磨程度，但 如果交联过多也会影响其的伸长率和极限强度等。轻度交联的超高分子量聚 乙烯在熔化状态经过单轴压缩并冷却结晶，在热力学和机械学方面的特性有 了很大提高。其耐磨性明显增强，在人工关节方面的使用前景广阔。 2 ) 从生物学角度，利用药物来预防和治疗关节假体周围骨溶解。普遍 认为某些药物能提高骨密度，防治骨质疏松，能破坏或抑制破骨细胞的骨吸 收，减少破骨细胞数目。近几年来，对二膦酸盐、雌激素和红霉素( e m ) 等药 物防治人工关节无菌性松动进行了较多的研究。这一方面的研究情况将在本 章第三节中重点介绍。 根据文献 2 0 】，提高人工髋关节置换远期效果还有很多其它的途径，如 减少应力遮挡，防止微粒的迁移和松动后的翻修等。虽然提高人工髋关节置 换远期效果的途径有很多，但是磨损依然是制约人工髋关节寿命的主要因 素。目前对防治骨溶解造成的人工关节松动还没有有效的治疗手段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 超高分子量聚乙烯 1 2 1 超高分子量聚乙烯简述 超高分子量聚乙烯( u l t r a - h i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ，简称 u h m w p e ) 一般是指相对分子质量在1 5 0 万以上的聚乙烯。它是一种新型 工程塑料，虽然它的分子结构排列与普通聚乙烯完全相同，但是由于它具有 非常高的相对分子质量( 普通聚乙烯的相对分子质量仅为2 - 3 0 万) ，因此 具有许多优良的机械、物理、化学性能。 表1 1 超高分子量聚乙烯常见的物理、机械性能、热性能以及电性能等指标 表1 1 表示的是超高分子量聚乙烯常见的物理、机械性能、热性能以 及电性能等指标。这些性质使超高分子量聚乙烯具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲 击、自润滑、摩擦系数小、吸水率低、不易黏附异物和微生物、可回收利用 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 以及耐低温等优良性能，特别是其耐磨性能尤为突出。 u h m w p e 优异的物理机械性能使它广泛应用于机械、运输、纺织、造 纸、矿业、建筑、军事、农业、化工及体育运动器械等领域，其中以大型包 装容器和管道的应用最为广泛。另外，由于u h m w p e 优异的生理惰性，已 作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节等在临床医学中使用。 1 2 2 超高分子量聚乙烯在人工关节中的应用 聚乙烯是最早被用于人工关节的高分子材料，它具有很好的生物相容性 和耐磨性等优点，因此被用于人工髋关节的髋臼内衬及人工膝关节垫片的制 造。以后又采用性能更好的超高分子量聚乙烯。超高分子量聚乙烯主要用于 关节凹面等摩擦面，如人工髋臼等。现已成功用于人工髋关节和膝关节，较 好地解决了人工关节的摩擦磨损问题。1 9 6 2 年，c h a r n l e y 首次将聚乙烯材料 应用在人工关节的制造中，其目的就是为了降低人工关节面之间的摩擦。超 高分子量聚乙烯与金属头的摩擦系数接近人体髋关节的摩擦系数，其组合方 式乃是目前应用最为广泛的一种。 1 2 3 超高分子量聚乙烯在人工关节中的磨损 尽管超高分子量聚乙烯具有很好的生物相容性和耐磨性，但是聚乙烯臼 杯是各种组合式全髋假体的脆弱环节，当聚乙烯臼杯与相邻金属表面发生 正常或非正常活动时，其较柔软特性决定了该假体成分也最易被磨损。超高 分子量聚乙烯磨屑占总人工髋关节假体磨屑量的7 0 9 0 ，研究证明聚乙烯 磨损碎屑是引起假体周围松动膜形成的关键因素。研究表明，超高分子量聚 乙烯磨屑比金属磨屑具有更强的引起假体周围骨溶解、假体无菌性松动的作 用2 2 2 3 1 。 超高分子量聚乙烯臼杯在髋关节中的磨损机制较为复杂，基本包括粘 着( a d h e s i o n ) 、磨粒( a b r 嬲i o l l ) 及微疲劳断裂( 最l t i g u e ) 三种磨损机制【2 4 1 。粘着磨 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 损是指接触点连接强度大于材料固有强度时对其表面的拉脱破坏。磨粒磨损 是指不光整表面的若干尖端对材料表面的擦伤破坏。疲劳磨损是指周期性应 力作用下材料表面或更深结构的断裂或分层。不同磨损机制与不同磨损类型 所造成的磨损破坏各不相同，粘着磨损引起表面坑洼与凹陷，磨粒磨损造 成表面犁沟和擦痕，疲劳磨损则导致裂缝与材料分层。 m c k e l l o p 2 5 】等通过体外模拟实验归纳出四种不同力学环境下的磨损损 伤，它们在磨损颗粒及臼杯表面所形成的损伤痕迹各不相同。根据磨损面性 质，人工髋关节的磨损分为4 种类型。i 型磨损为两个负重面( 人工股骨头 与臼杯) 功能活动时的磨损；型磨损为一个负重关节面与另一个非负重关 节面的磨损( 人工股骨头穿透聚乙烯，与骨水泥层或骨面间的磨损) ；1 1 1 型 磨损为两个负重关节面相对活动而中间夹有第三颗粒的磨损( 如夹有骨碎 屑、骨水泥颗粒、金属颗粒等) ；i v 型磨损为两个非负重关节面的磨损( 如 臼杯与骨水泥间的磨损) 。从假体形态与颗粒直径看，i 型磨损表面较光滑， 磨损产生的颗粒较小；i i 型磨损表面较粗糙，颗粒直径也较大；型磨损对 表面破坏最明显；产生的颗粒可相当巨大。 1 2 4 超高分子量聚乙烯颗粒与骨溶解 目前普遍接受的观点认为不论何种材料，亚微米的微粒在体内都具有较 高的生物活性，较小的微粒容易被巨噬细胞吞噬，从而进一步引起组织反应。 在传统的金属对聚乙烯的假体组合中，聚乙烯材料与金属相比更易磨损，产 生的微粒数量最多。因此目前大多数学者认为聚乙烯微粒与其他微粒相比在 假体无菌松动中起了更重要的作用田2 3 1 。 c h a m l e y 等采用反射法测定c h a m l e y 型髋臼假体内面的年磨损率为0 1 0 1 9m i l l ，相当于每年每个关节产生2 x 1 0 7 k 4 x 1 0 1 0 个小于1 0 岬的超高分子 量聚乙烯碎屑。这些碎屑能引起人工关节周围的骨溶解现象。用扫描电镜 研究松动关节周围软组织磨损颗粒发现，超过7 0 的聚乙烯磨损颗粒小于 l i m a ，大多数形状为球形。磨损颗粒引起骨溶解的生物学反应是巨噬细胞 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 由于吞噬了磨损颗粒而引起了放大效应的炎症反应。在第三体磨损、全髋 关节表面置换术磨损所产生的磨损颗粒较大，但是当磨损颗粒较大而不能 被吞噬时巨噬细胞仍然可被激活、释放溶骨性因子( i l 1 1 3 、t n f a 、i l 6 ) ， 引起磨损颗粒诱导的生物学反应。如图1 2 所示，其作用机制可能为【7 7 , 7 8 1 ： 聚乙烯颗粒进入关节腔被关节液的补体调理后，被成纤维细胞和巨噬细胞所 识别、包绕，与细胞膜受体相结合，激活有丝分裂原活化蛋白激酶，通过核 转录因子影响基因表达，合成并释放细胞因子包括i l - 1 、i l - 6 和t n f q 。这 些细胞因子刺激前体破骨细胞分化为分泌破骨细胞，导致骨吸收增加；这些 细胞因子也可作用于成骨细胞使骨形成减少。同时成骨细胞在磨损颗粒的刺 激下也可以分泌i l 1 、i l - 6 和t n f - 1 1 等溶骨性因子作用于前体破骨细胞。 图1 - 2 聚乙烯颗粒在体内引起骨溶解的细胞反应机制 1 3 药物预防和治疗关节假体周围骨溶解的研究进展 人工假体与人体骨的理化特性毕竟不完全相同，磨损是不可避免的， 因此药物防止假体周围的骨溶解在防治人工关节松动中扮演着越来越重要 的角色。近年来，随着对磨屑诱导骨溶解机制研究的深入，利用药物阻断磨 屑刺激反应环节，抑制破骨细胞的分化和活化，减轻或者预防人工关节的无 菌性松动的研究取得一定的进展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 3 1 药物的种类 目前研究的防治骨溶解的药物包括：双膦酸类药物、雌激素、t n f 0 c 抑 制剂、降钙素、红霉素、骨保护素等口6 - 2 9 。 本实验选用的药物为雌二醇( e 2 ，1 7 j 3 e s t r a d i 0 1 ) ，是一种甾体类激素药 物，对骨代谢及维持正常骨量起重要的调节作用。雌激素缺乏所致骨量丢失 主要是由破骨细胞数目及活性增加造成的。研究表明，雌激素可通过多种途 径直接或间接的作用于破骨细胞，抑制破骨细胞的分化及活性【3 0 3 1 1 。雌激素 属类固醇激素，其效应主要通过雌激素受体( e r ) 发挥。e r 属于核受体超 家族成员，位于胞质和胞核内，具有转录因子作用，有e r a 和e r l 3 两种亚型。 两种亚型对成骨细胞和破骨细胞的作用机制不同，但具体机制尚需进一步研 究。目前认为，雌激素主要通过e r 对成骨细胞和破骨细胞发挥作用，有三种 模式【3 2 】： 1 ) 直接调节机制。目前认为，雌激素通过受体途径直接调节破骨细胞 的骨吸收和成骨细胞的骨形成。雌激素和e r 结合，通过影响细胞周期诱导 破骨细胞的凋亡，抑制破骨细胞前体形成细胞的募集和分化，抑制破骨细胞 的活性；对成骨细胞的增殖、分化及其基质金属蛋白的合成具有直接促进作 用。 2 ) 旁分泌机制。雌激素抑制成骨细胞产生刺激破骨细胞增殖、分化 和活化的细胞因子，包括骨保护素( o p g ) ，白细胞介素( 几) 1 p ，i l - 6 ， 肿瘤坏死因子吨( n 师吨) ，粒细胞巨噬细胞集落刺激因子( g m c s f ) ，巨 噬细胞集落刺激因子( m c s f ) ，胰岛素样生长因子( i g f ) 和转移生长因子 b ( t g f b ) 等。这些细胞因子通过增加骨髓中破骨细胞前提细胞的比例增加 骨的吸收。雌激素通过对体液因子如甲状旁腺激素( p h t ) 、降钙素、维 生素d 3 的调控，影响成骨细胞的增殖分化、促进骨的形成，抑制破骨细胞 的吸收。 3 ) 细胞凋亡机制。雌激素通过f a s f a s l 系统促进破骨细胞的凋亡。f a s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 又称作a p o 1 c d 9 5 ，属于t n f 受体家族，其编码产物是一种跨膜蛋白。f a s 蛋白与f a s 配体( f a s l ) 结合后，会激活细胞内的凋亡酶，导致靶细胞走向 凋亡。 1 3 2 给药途径 目前，很多学者致力于用药物治疗骨溶解的研究，一般采用通过口服的 给药方式。但是口服给药存在一些问题，如t 生物利用率低、治疗周期长、 副作用大和易引起胃肠道反应等【3 3 】。 为了克服上述口服给药的不足，目前已有一些研究者尝试利用局部给药 的方式来抑制磨屑引起的骨溶解。聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 骨水泥和人 工关节金属植入体的涂层表面都被用来作为治疗骨溶解的药物载体 3 4 - 3 0 3 。 廖晖等【3 4 】将阿仑膦酸钠加入到p m m a 骨水泥中，结果显示载阿仑膦酸钠骨 水泥能够释放出阿仑膦酸钠，并能抑制骨水泥微粒诱导的破骨样细胞的形成 和骨吸收作用。但是有研究显示药物的加入将降低的骨水泥的力学性能【3 6 1 。 而采用涂层作为抑制骨溶解药物载体的研究还需要进一步研究药物的长期 释放和涂层与基体间的结合强度【3 5 】。应用局部给药来治疗骨溶解还处于初步 研究阶段，已经采用的这些载体都存在不足之处。因此如何改进已有的载体 和寻找新的载体成为目前最值得探索研究的问题。 1 4 本课题研究目的及意义 综上所述，目前对于人工懿关节假体周围骨溶解造成的无菌性松动尚无 有效的防治手段，而利用局部给药的方式来治疗骨溶解越来越受到关注。各 种人工髋关节的材料包括骨水泥，关节柄的涂层都曾被用来作为抑制骨溶解 药物的载体。但是尚未见到有关将超高分子量聚乙烯关节臼杯作为药物载体 方面的研究报道。 由于超高分子量聚乙烯分子量较大，熔体粘度大，熔体流动速率几乎为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 零，一般的加工温度都在2 0 0 。c 以上【3 7 ，3 引。常规的药物难以承受高温加热， 因此给制备载药超高分子量聚乙烯造成困难。但是超高分子量聚乙烯与金属 头组合的人工髋关节目前应用最广泛的，而且超高分子量聚乙烯磨屑在人工 关节各种材料中产生量最多。利用超高分子量聚乙烯作为载体材料有可能获 得比其它载体更好的效果。 因此，本研究采用超高分子量聚乙烯作为药物载体，制备载有抑制骨溶 解药物的超高分子量聚乙烯材料。如图1 - 3 所示，当该种材料作为人工髋关 节臼杯植入人体时，在关节的正常运动过程中，由于人工关节界面间的摩擦 和微动，产生载药的磨屑，利用所载药物将有害的磨屑变为药物载体，释放 药物，通过巨噬细胞作用于破骨细胞或直接作用于破骨细胞和成骨细胞，阻 断破骨细胞的骨溶解作用，从而防止假体松动的发生。 图i - 3 本研究的设计思路示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 1 5 本课题的研究内容和技术路线 1 5 1 研究内容 本课题研究的内容包括： 1 选择雌二醇作为载体药物，并检测雌二醇的热稳定性。 2 采用模压成型( 热压法) 的方法加工载雌二醇超高分子量聚乙烯的板 材，通过优化加工参数，确定合适的加工工艺。 3 对加工的载雌二醇超高分子量聚乙烯板材进行材料学性能和摩擦学 性能的表征。同时将表征结果与未载药的超高分子量聚乙烯进行对比，研究 药物对超高分子量聚乙烯材料学性能和摩擦学性能的影响。 4 获得载雌二醇的超高分子量聚乙烯磨屑。建立体外药物释放模型，研 究药物在模拟体液中的释放规律，分析载药超高分子量聚乙烯磨屑的药物释 放机制。 5 利用成骨细胞株和巨噬细胞株，建立体外细胞评价模型，通过m t t 和e l i s a 等技术手段评价载雌二醇超高分子量聚乙烯磨屑对细胞增殖、分化 和溶骨性因子包括白细胞介素1 、6 ( i n t e r l e u k i n - 1 、6 ，i l - 1 、i l 6 ) 和肿瘤坏 死因子( t u m o rn e c r o s i sf a c t o r - a ，t n f q ) 的表达的作用，研究载雌二醇超高 分子量聚乙烯磨屑对细胞的作用机制，以及药物对细胞作用的剂效规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 5 2 技术路线 图1 4 课题技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第2 章载药超高分子量聚乙烯的制备和表征 2 1 引言 由于超高分子量聚乙烯的加工温度很高，文献提供的撮低加工温度为1 8 0 。 所以本实验采用的抑制骨溶解的药物应该能够耐高温，并且在加工过程中具 有很好的热稳定性。本实验选用熔点为1 7 5 1 8 0 的雌二醇作为载体药物。 为了保证药物在加工过程中的稳定性，所以确定最高加工温度控制在1 8 0 。 本节实验首先对药物在1 8 0 这种加工温度下的热稳定性进行了考察。 先用热分析( t g 和d s c ) 的方法研究药物在升温时的物理和化学变化。然 后通过红外( f t - m ) 的加热附件检测雌二醇在升温至1 8 0 时的红外吸收 光谱的变化。 本实验采用模压成型的方法加工载药超高分子量聚乙烯板材。在实验初 期使用纯超高分子量聚乙烯粉末来摸索加工工艺和优化工艺参数。 本实验制备的载雌二醇超高分子量聚乙烯应该具备与纯超高分子量聚 乙烯相似的优良材料学性能和摩擦学性能，才能作为人工关节材料植入人体 使用。因此为了考察雌二醇的加入对超高分子量聚乙烯的材料学性能和摩擦 学性能的影响，本节实验对载药板材进行了以下的表征，包括密度测试、接 触角测试、结晶度测试、拉伸力学性能和摩擦学性能测试等。将在同一工艺 条件下制备的未载药超高分子量聚乙烯板材作为本实验的对照组。同时将实 验得到的载药板材的各项性能与a s t mf 6 4 8 0 4 外科植入用超高分子量聚 乙烯粉末及加工成型要求标准进行比较，考察其性能是否符合标准中关于 超高分子量聚乙烯植入体的相关要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 2 实验材料和方法 2 2 1 实验材料 2 2 1 1 雌二醇 本实验使用的药物是从a l f aa e s a r 公司购买的1 7 p 一雌二醇( e 2 ， 1 7 1 3 - e s t r a d i 0 1 ) ，图2 1 表示的是1 7 b 雌二醇的分子结构示意图。分子式为 c l s h 2 4 0 2 ，熔点为1 7 5 - - - 1 8 0 。药物呈白色结晶粉末状。根据药典记载，本 品在二氧六环或丙酮中溶解，在乙醇中略溶，在水中不溶。 3 o h 图2 11 7 p - 雌二醇的分子结构示意图 采用激光粒度分析仪( h o r i b al a - 2 9 0 ，j a p a n ) 对雌二醇的粒径进行测试。 图2 2 所示为雌二醇的粒径分布特征图。由图可以得到，雌二醇颗粒的平均 粒径是2 5 5 9 7l a i n ，粒径范围在1 1 4 2 6l m a - 3 8 6 1 2 岬之间。 d i m m e r 峨) 图2 - 2 雌二醇颗粒分布特征图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 2 1 2 超高分子量聚乙烯 加工载药超高分子量聚乙烯板材的原料是由北京助剂二厂生产的m i i 型，分子量为2 5 04 - 5 0 万的超高分子量聚乙烯粉料，见图2 3 ，肉眼观察为 白色粉末。 图2 - 3 超高分子量聚乙烯粉料的照片( 密度0 9 3 - - - 0 9 4 9 c m 3 ，热变形温度8 0 。c ) 加工实验进行之前，采用激光粒度仪对超高分子量聚乙烯粉料的粒度进 行测试。图2 4 是本实验中超高分子量聚乙烯的粒径分布图，可以得到，超 高分子量聚乙愀的平均粒径是1 5 7 7 7 p r o ，粒径范围在6 3 2 4l m a - 2 6 2 0 8 p m 之 间。 图2 _ 4 超高分子量聚乙烯粒径分布特征图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 2 2 雌二醇的热稳定性测试 2 2 2 1