聚乳酸-羟基乙酸导管移植修复坐骨神经损伤后的力学特分析.doc

www.CRTER.org李正伟，等. 聚乳酸-羟基乙酸导管移植修复坐骨神经损伤后的力学特性分析聚乳酸-羟基乙酸导管移植修复坐骨神经损伤后的力学特性分析李正伟1，吕雪漫2，李新颖3，李亚军4，罗 民5 (1吉林大学第二医院骨科，吉林省长春市 130026；吉林大学中日联谊医院，2眼科， 3超声科，5疼痛科，吉林省长春市 130033；4吉林大学数学学院，吉林省长春市 130028)引用本文：李正伟，吕雪漫，李新颖，李亚军，罗民. 聚乳酸-羟基乙酸导管移植修复坐骨神经损伤后的力学特性分析J.中国组织工程研究，2017，21(6):917-922.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.06.017 ORCID: 0000-0001-7298-9661(李正伟)文章快速阅读：李正伟，男，1978年生，汉族，吉林省长春市人，2009年吉林大学毕业，博士，主治医师，主要从事骨科临床与生物力学研究。 通讯作者：李新颖，硕士，副主任医师，吉林大学中日联谊医院超声科，吉林省长春市 130033 中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2017)06-00917-06稿件接受：2017-01-09Li Zheng-wei, M.D., Attending physician, Department of Orthopaedics, Second Hospital of Jilin University, Changchun 130026, Jilin Province, ChinaCorresponding author:Li Xin-ying, Master, Associate chief physician, Department of Ultrasound, China-Japan Union Hospital, Jilin University, Changchun 130033, Jilin Province, China自体神经和聚乳酸-羟基乙酸导管移植修复坐骨神经损伤后的拉伸、应力松弛力学差异取人尸体坐骨神经新鲜标本正常对照组不做任何处理自体神经移植组切断坐骨神经，以自体神经吻接修复人工导管移植组切断坐骨神经，以聚乳酸-羟基乙酸人工导管吻接修复进行拉伸和应力松弛测试结果表明，聚乳酸-羟基乙酸人工导管具有很好的拉伸和应力松弛力学特性，符合坐骨神经损伤移植修复生物材料的拉伸力学特性和应力松弛力学特性要求。文题释义：聚乳酸-羟基乙酸支架：带有一定孔隙，对摄取营养物质有利、对血管的长入有利，对神经修复过程中代谢产物的排出有利，能为种植的许旺细胞和再生神经提供充足的营养，对促进神经的再生有利；具有良好的成囊和成膜性能，无毒，具有良好的生物相容性，是具有生物降解功能的一种高分子有机化合物，目前已被广泛应用于医用工程材料、制药等领域。应力松弛：黏弹性材料在总应变不变的条件下，由于试样内部的黏性应变(或粘塑性应变)分量随时间不断增长，使回弹应变分量随时间逐渐降低，从而导致变形恢复力(回弹应力)随时间逐渐降低的现象。测定应力松弛曲线是测定松弛模量的实验基础。高温下的紧固零件，其内部的弹性预紧应力随时间衰减，会造成密封泄漏或松脱事故。松弛过程也会引起超静定结构(见结构力学)中内力随时间重新分布。用振动法消除残余应力就是设法加速松弛过程，以便消除材料微结构变形不协调引起的内应力。使流动的黏弹性流体速度梯度减小或突然降为零，流体中的应力逐渐降低或消失的过程也称为应力松弛。摘要背景：有关自体神经和聚乳酸-羟基乙酸导管移植修复坐骨神经损伤后的拉伸、应力松弛力学特性测试鲜有报道。目的：对比分析自体神经和聚乳酸-羟基乙酸导管移植修复坐骨神经损伤后的拉伸、应力松弛力学特性。方法：取死后24 h内的新鲜人尸体坐骨神经标本60条，加工成长35 mm试样，分为3组，正常对照组不做任何处理，人工导管移植组、自体神经移植组切断坐骨神经标本，形成20 mm缺损，分别以聚乳酸-羟基乙酸人工导管、自体神经吻接修复，3组均进行拉伸和应力松弛测试。结果与结论：各组坐骨神经试样应力最初600 s下降较快，600 s后下降缓慢，7 200 s时应力松弛曲线接近水平，各组坐骨神经试样的应力松弛曲线为对数关系变化趋势；自体神经移植组、人工导管移植组拉伸弹性限度载荷、弹性限度应力、最大载荷、最大应力、弹性限度应变、最大应变小于正常对照组(P 0.05)，人工导管移植组拉伸弹性限度载荷、弹性限度应力、最大载荷、最大应力、弹性限度应变、最大应变大于自体神经移植组(P artificial group autologous group (P 0.05). Our results indicate that the PLGA scaffold holds good tension and stress-relaxation properties, which meets the mechanical requirements of the biomaterials used for sciatic nerve repair.Subject headings: Nerve Regeneration; Sciatic Nerve; Tissue EngineeringFunding: the Science and Technology Development Foundation of Jilin Province, No. 20116492Cite this article: Li ZW, Lv XM, Li XY, Li YJ, Luo M. Mechanical properties of sciatic nerve injury after repaired with poly(lactic acid-glycolic acid) scaffold. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(6):917-922. 919ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction高分子合成材料聚乳酸-羟基乙酸(Polyglyeolie lactieaeid，PLGA)已被美国FDA批准医用。PLGA具有良好的可调控的降解速率、生物可降解性、生物相容性1-2，是组织工程支架的良好材料3-6。国内外学者对周围神经损伤的修复和神经再生等进行了大量研究7-22，钱婷玉等23研究了PLGA导管加工条件对微球粒径和微球表面形态的影响，制备了PLGA聚合物微球，以二步合成法合成了PLGA，筛选和优化了加工PLGA微球的聚合物分子量，制定了PLGA微球加工的最佳工艺条件。Qi等24研究结果表明，PLGA集中了乳酸和乙醇酸两种聚酯材料的优点，其融合了乳酸的生物相容性和可降解性能，还具有控制降解速度等优点。郭立强25研究了一种合成PLGA的新方法，原料为90 mL乳酸和10 g羟基乙酸，扩链剂为顺丁烯二酸酐，得出了当熔融温度为180 、压力为400 Pa、扩链剂为2 g、复合催化剂为0.4 g时，PLGA的黏度特性最好。Shin 等26对聚左乳酸/ PLGA支架的力学性质进行了研究，结果显示聚左乳酸的加入提高了聚合物溶液的黏度和聚左乳 酸/PLGA支架的力学性质。Shen等27引入阳离子化的凝胶抗基，采用等离子处理PLGA膜，提高了细胞对PLGA降解导管材料的亲和性。通过CO2以不同工艺参数对PLGA表面进行等离子处理，使PLGA表面引入羧基功能团，根据碱性成纤维生长因子处理后的PLGA支架表面生长结果，得出了由等离子处理PLGA导管碱性成纤维生长因子固化效率得到提高的结论。以往对PLGA的研究多以材料免疫学、生物相容性、生物学特性等居多，关于其生物力学特性研究，多以支架的生物力学性质研究居多。关于分别以PLGA导管和自体神经移植后体外模拟坐骨神经损伤后的应力松弛特性和拉伸力学特性对比分析罕见报道。鉴于此，作者体外模拟坐骨神经损伤，分别以PLGA导管和自体神移植后，以应力松弛特性指标和拉伸力学特性指标，探讨以PLGA导管和自体神修复坐骨神经损伤模型的效果，为临床坐骨神经损伤修复提供应力松弛特性和拉伸力学特性基础。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 设计 体外对比分析实验。1.2 时间及地点 实验于2014年5月至2015年12月在吉林大学力学实验中心完成。1.3 材料 测试用坐骨神经标本由吉林大学解剖教研室提供，取自正常国人急性头部外伤致死的成年尸体10具，均为男性，年龄21-30岁，人死亡后24 h内解剖尸体，取出双侧腰段坐骨神经共20条，放于4 生理盐水器皿中待用。1.4 实验方法PLGA支架的制作：将长春圣博玛生物材料有限公司生产的PLGA(聚乳酸羟基乙酸为7030)添加三氯甲烷配制成10%溶液，以微型注射器将三氯甲烷溶液注射到模具中，在常温下自然干燥48 h，后脱模，加工成长20 mm、外径12 mm、内径9.5 mm 的支架30个，将支架放置真空(20 L/h，-0.1 MPa)干燥机内抽提溶剂24 h，之后将支架放置于真空干燥机内存放。坐骨神经损伤模型的制作：实验前取出坐骨神经标本，以手术刀切取长35 mm的试样60个，随机分3组，每组20个。正常对照组不作任何处理；人工导管移植组、自体神经移植组以手术刀在每个试样中间部位两端切成20 mm缺损，自体神经移植组采用7-0号尼龙线将自体神经以外膜缝合法缝合离断试样，人工导管移植组采用7-0号尼龙线将PLGA支架以外膜缝合法缝合离断试样，均在同一部位对每个坐骨神经试样缝8针。1.5 主要观察指标各组坐骨神经应力松弛测试：取每组各10个试样进行应力松弛测试，应力松弛测试设备为日本岛津电子万能试验机，试验机带有可自动调控温度的温箱，根据实验需要可自动设定测试温度。坐骨神经应力松弛测试设定测试温度为(36.51.0) 。以长春市第三光学仪器厂生产的读数显微镜测量各组坐骨神经试样的几何尺寸，试样内径9.4- 9.8 mm、试样长35 mm，试样外径11.9-12.1 mm。按参考文献28-29的方法对每个坐骨神经试样进行预调后进行实验。分别将每个坐骨神经试样装夹在试验验机的夹具内，设定应力松弛测试速度为60%/min，当各组坐骨神经试样应力达到0.5 MPa，自体神经移植组应变达到8.63%，人工导管移植组应变达到9.68%，正常对照组应变达到9.87%时。使应变保持恒定。坐骨神经试样应力松弛测试时间设定为7 200 s。应力松弛测试中向坐骨神经试样喷洒生理盐水，使坐骨神经试样保持湿度。达到7 200 s时，计算机自动输出坐骨神经试样的应力松弛数据和曲线。各组坐骨神经拉伸力学性质测试：设备、预调处理、实验环境温度、试样几何尺寸测量等同各组坐骨神经应力松弛测试。取每组各10个试样进行拉伸实验，分别将每个坐骨神经试样装夹在拉伸试验机的夹具内，以0.2 mm/min的拉伸实验速度对试样进行拉伸测试。测试结束后，计算机自动输出坐骨神经的拉伸弹性限度应变、最大应变、弹性限度应力、最大应力和应力-应变曲线。1.6 统计学分析 数据以s表示，以SPSS 11.0软件(Chicago，IL，USA)分析，采用配对t 检验对2组实验数据进行比较，P 0人工导管移植组：G(t)= 1 t=0 1.067 7lnt-0.044 0 t0正常对照组：G(t)= 1 t=0 1.061 1lnt-0.045 5 t02.4 各组坐骨神经试样拉伸测试结果 拉伸测试得到的数据见表1。 各组坐骨神经试样拉伸测试结果表明，自体神经移植组、人工导管移植组坐骨神经试样拉伸弹性限度载荷、弹性限度应力、最大载荷、最大应力、弹性限度应变、最大应变小于正常对照组(P 0.05)，自体神经移植组坐骨神经试样拉伸弹性限度载荷、弹性限度应力、最大载荷、最大应力、弹性限度应变、最大应变小于人工导管移植组(P 0.05)。2.5 各组坐骨神经试样的拉伸应力-应变曲线 对各组坐骨神经试样的拉伸测试数据以计算机进行曲线拟合，获得的各组坐骨神经试样的应力-应变曲线，见图3。由图3坐骨神经试样应力-应变曲线可见，当对坐骨神经试样开始施加拉伸应力时，坐骨神经试样的应力-应变曲线基本呈指数关系变化，之后坐骨神经应力-应变曲线基本呈线性关系变化趋势，之后坐骨神经应力-应曲线又基本呈指数函数关系变化，随着对试样施加应力的不断增加，应力-应变曲线斜率较大，应力-应变呈非线性关系变化，当持续不断的对坐骨神经神经试样施加应力，使坐骨神经试样的纤维延长、伸展，最后撕裂。3组试样的应力-应变关系变化趋势基本一致。2.6 各组坐骨神经试样的应力-应变函数关系表达式 根据测试得出的各组坐骨神经试样的拉伸应力、应变数据，以回归分析的方法建立的各组坐骨神经试样的应力-应变函数关系表达式如下：表1 各组坐骨神经试样拉伸测试结果 (s)Table 1 Tensile test results of the sciatic nerve samples in each group 表注：与自体神经移植组、人工导管移植组比较，aP 0.05；与人工导管移植组比较，bP 0.05。组别最大载荷(N)最大应力(MPa)最大应变(%)弹性限度应变(%)弹性限度载荷(N)弹性限度应力(MPa)正常对照组122.63.9a7.21.8a28.64.1a14.42.1a55.16.9a3.20.6a自体神经移植组110.72.4b6.41.7b25.43.5b12.61.5b44.85.2b2.70.3b人工导管移植组1.327.62.413.22.30.2自体神经移植组人工导管移植组正常对照组1.000.950.900.850.800.750.700.650.700.650.600.550.500.450.400.35自体神经移植组人工导管移植组正常对照组 (MPa)0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000时间(s)图1 各组坐骨神经试样的应力松弛曲线Figure 1 The stress-relaxation curves of the sciatic nerve samples in each group图注：各组坐骨神经试样应力最初600 s下降较快，600 s后下降缓慢，7 200 s时应力松弛曲线接近水平，各组坐骨神经试样的应力松弛曲线为对数关系变化趋势。G0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000时间(s)图2 各组坐骨神经试样的归一化应力松弛函数曲线Figure 2 The normalization stress-relaxation curves of the sciatic nerve samples in each group图注：各组坐骨神经试样应力松弛函数曲线最初600 s下降较快，600 s后下降缓慢，7 200 s时应力松弛函数曲线接近水平，各组坐骨神经试样的应力松弛函数曲线为对数关系变化趋势。图3 各组坐骨神经试样的拉伸应力-应变曲线Figure 3 The strain-stress curves of the sciatic nerve samples in each group图注：3组试样的应力-应变关系变化趋势基本一致。876543210应力(MPa)应变(%)0 5 10 15 20 25正常对照组人工导管移植组自体神经移植组正常对照组：()=-0.019 1e5-0.199 94+0.199 1e3+ 5.861 0e2-1.306 1e1自体神经移植组：()=0.025 2e5-0.233 6e4+ 0.264 6e3-5.416 42-1.237 71人工导管移植组：()=0.044 9e5-0.547 1e4+ 1.861 0e3+ 2.729 02-0.400 113 讨论 Discussion各组坐骨神经应力松弛测试结果表明，正常对照组坐骨神经试样应力7 200 s下降量大于人工导管移植组和自体神经移植，人工导管移植组7 200 s应力下降量大于自体神经移植组，各组坐骨神经试样的应力松弛曲线基本为对数函数关系变化趋势。各组坐骨神经试样应力松弛测试最初15 min应力下降速度较快，之后坐骨神经试样应力缓慢下降，达到120 min时，各组坐骨神经试样的应力松弛曲线接近于水平。分析认为，坐骨神经试样应力松弛测试开始应力下降快，系由于坐骨神经试样在恒应变作用下，坐骨神经试样内的膨胀压与坐骨神经试样内局部的压力差减少造成的。随着坐骨神经应力松弛测试时间增加，使坐骨神经试样内的水分溢出较快，所以各组坐骨神经试样应力松弛测试后期应力下降缓慢。人工生物材料和生物材料固有的应力松弛力学特性是为了适应人和动物的生理功功能需要而存在的，坐骨神经应力松弛力学特性是坐骨神经对抵抗恒应变的适应性反应。坐骨神经损伤以PLGA支架移植后，在恒定拉伸应变作用下，应力松弛力学特性的提高对以PLGA支架移植坐骨神经后，降低吻合口的拉力有利，有利于损伤的坐骨神经的再生和功能重建。PLGA支架带有一定孔隙，有利于摄取营养物质、血管的长入及神经修复过程中代谢产物的排出，能为种植的许旺细胞和再生神经提供充足的营养，促进神经的再生30。PLGA具有良好的成囊和成膜性能，无毒，具有良好的生物相容性，是具有生物降解功能的一种高分子有机化合物，目前已被广泛应用于医用工程材料、制药等领域；已被正式作为药用辅料收录进了美国药典，PLGA是目前组织工程支架材料常用的一种，具有良好三维立体空间和可塑性31。PLGA是组织工程领域目前应用最广泛的细胞培养支架32。观察各组坐骨神经试样应力-应变曲线可见，当对坐骨神经试样开始施加拉伸应力时，坐骨神经试样的应力-应变曲线基本呈指数关系变化，之后坐骨神经应力-应变曲线基本呈线性关系变化趋势，之后坐骨神经应力-应曲线又基本呈指数函数关系变化，随着对试样施加应力的不断增加，应力-应变曲线斜率较大，应力-应变呈非线性关系变化，当持续不断的对坐骨神经神经试样施加应力，使坐骨神经试样的纤维延长、伸展，最后撕裂。3组试样的应力-应变关系变化趋势基本一致。正常对照组坐骨神经试样拉伸弹性限度载荷、弹性限度应力、最大载荷、最大应力、弹性限度应变、最大应变大于自体神经移植组、人工导管移植组(P 0.05)。人工导管移植组坐骨神经试样拉伸弹性限度载荷、弹性限度应力、最大载荷、最大应力、弹性限度应变、最大应变大于自体神经移植组(P 0.05)，说明通过PGLA导管移植坐骨神经损伤模型后，即刻可提高坐骨神经试样的强度和弹性。选择合适的人工神经材料制作结构和生物力学特性适宜的的神经支架，对于坐骨神经损伤的移植修复和坐骨神经的再生和功能重建的意义重大。此次测试结果发现，以NaCl做致孔剂、PLGA(7030)与NaCl的质量比为19制作的PLGA支架，在体外移植坐骨神经损伤模型后，提高了坐骨神经的应力松弛力学特性和拉伸力学特性，有利于坐骨神经损伤的移植修复和坐骨神经的再生和功能重建。作者以往报道了对比分析以自体神经和PLGA导管吻接修复坐骨神经损伤模型后的蠕变特性，结果表明，自体神经移植组7 200 s 应变上升量小于PLGA导管移植组 (P 0.05), 得出了PLGA具有很好的蠕变力学特性，其蠕变力学特性符合坐骨神经损伤移植修复生物材料的蠕变力学特性要求33-40。此次实验与以往研究不同的是以人尸体坐骨神经建立坐骨神经损伤模型，以PLGA导管和自体神经移植修复后进行应力松弛实验，以归一化分析的方法建立了正常对照组、自体神经移植组、人工导管移植组坐骨神经的应力松弛函数方程，对比分析了坐骨神经损伤模型以PLGA导管和自体神经移植修复后的应力松弛及拉伸力学特性。实验是之前工作的连续，作者系统的研究了体外模拟坐骨神经损伤分别以PLGA导管和自体神经移植修复后的应力松弛力学、拉伸力学特性，为临床坐骨神经损伤移植修复提供了黏弹性力学和拉伸力学特性基础，具有创新性。由于人尸体坐骨神经生物材料各体差异性的原因，坐骨神经应力松弛测试和拉伸力学性质测试数据存在一定的离散性，但对临床坐骨神经损伤修复还是具有一定参考价值的。作者贡献：李正伟进行实验设计，实验实施为李正伟，实验评估为李新颖，资料收集为吕雪漫、罗民，李正伟成文，罗民审校。利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。伦理问题：实验方案经吉林大学伦理委员会批准，批准号为2016028。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家审核，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对于研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。开放获取声明：这是一篇开放获取文章，文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。根据知识共享许可协议“署名-非商业性使用-相同方式共享3.0”条款，在合理引用的情况下，允许他人以非商业性目的基于原文内容编辑、调整和扩展，同时允许任何用户阅读、下载、拷贝、传递、打印、检索、超级链接该文献，并为之建立索引，用作软件的输入数据或其它任何合法用途。4 参考文献 References1 Urita Y,Komuro H,Chen G,et al.Evaluation of diaphragmatic hernia repair using PLGA mesh-collagen sponge hybrid scaffold: an experimental 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