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納米羥基磷灰石-40%二氧化鋯生物陶瓷材料組織相論文
【關(guān)鍵詞】 羥基磷灰石 二氧化鋯 組織相容性
【摘要】 ［目的］評估納米羥基磷灰石-二氧化鋯生物陶瓷材料組織相容性。［方法］根據(jù)iso10993-1標準，采用細胞毒性試驗、急性毒性試驗、溶血試驗和體內(nèi)植入(90 d)試驗對納米羥基磷灰石-二氧化鋯生物陶瓷材料組織相容性進行評估。［結(jié)果］納米羥基磷灰石-二氧化鋯生物陶瓷材料組織相容性的細胞毒性評分小于i級，細胞生長無明顯抑制現(xiàn)象，無急性毒性反應(yīng)，無溶血反應(yīng)，體內(nèi)植入符合植入材料生物學(xué)評價要求。［結(jié)論］納米羥基磷灰石-二氧化鋯生物陶瓷材料具有良好的組織相容性，作為骨組織工程中生物支架材料具有廣闊臨床應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】 羥基磷灰石 二氧化鋯 組織相容性
histocompatibility evaluation of nano hydroxyapatite-40% zirconia composite bioceramic
li chao,tao shu-qing,zhou chang-lin,et al.
department of orthopaedics,the second affiliated hospital of harbin medical university,harbin 150086, china
abstract: ［objective］to evaluate the histocompatibility of nano hydroxyapatite-zirconia composite bioceramic. ［methods］according to the standard of iso 10993-1,cytotoxicity experiment,acute toxicity test,hemolysis test and in vivo implantation(90 days) test were conducted to evaluate the histocompatibility of nano hydroxyapatite-zirconia composite bioceramic.［results］the score of cytotoxicity experiment was lower than grade i,and there was no significant inhibition of cell growth,no acute toxic reaction or hemolytic reaction.and the in vivo implantation met the requirements of the biological evaluation of implant materials.［conclusion］nano hydroxyzpatie-zirconia composite bioceramic showed a good histocompatibility.it has a broad prospect as a biomaterial scaffold in the bone tissue engineering.
key words：hydroxyapatite; zirconia; histocompatibility
生物陶瓷是目前骨組織工程常用的支架材料，傳統(tǒng)的生物陶瓷材料由于粒徑較大，氣孔大，其脆性及彈性模量較大，影響了在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用［1］。由哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院與哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨外科共同研究制備的納米羥基磷灰石-40%二氧化鋯(nano hydroxyapatite-40%zirconia，nano ha-40%zro2)陶瓷材料強度、硬度、韌性和超塑性上都得到提高，如在人工器官制造，臨床應(yīng)用等方面將比傳統(tǒng)陶瓷有更廣泛的應(yīng)用并具有極大的發(fā)展前景。本研究選用細胞毒性試驗、急性毒性試驗、溶血試驗，植入實驗評價納米ha-40%zro2組織相容性，初步評價該材料應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的可行性。
1 材料和方法
1.1 材料的制備與浸提液提取
ha／40%zro2、ha由哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院與哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨外科共同研究制備，用溶膠-凝膠(sol-gel)法制成納米羥墓磷灰石粉粒(ha)［2］，然后將質(zhì)量比按60%納米ha+40%二氧化鋯比例配制，納米ha和二氧化鋯粉體經(jīng)充分研磨后得到納米羥基磷灰石／二氧化鋯復(fù)合粉體，采用熱壓低溫燒結(jié)技術(shù)磨削制成3 mm×3 mm×5 mm長方體。將經(jīng)過環(huán)氧乙烷滅菌的上述復(fù)合材料以1 g材料／5 ml介質(zhì)的比例，放入生理鹽水或小牛血中，37℃恒溫箱中靜置浸提72 h制備成ha／40%zro2浸提液，過濾除菌，4℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2 細胞毒性試驗
1.2.1 實驗方法
采用l929細胞(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)遺傳實驗室饋贈)經(jīng)復(fù)蘇、傳代后，將細胞培養(yǎng)基配制1×104個／ml細胞懸液分注于96孔塑料培養(yǎng)皿中，每孔100 μl，每組每觀察期至少8孔，細胞培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)24 h。然后棄去原培養(yǎng)基，用pbs洗滌2次，試驗組加入100 μl小牛血清浸提液，陰性對照組加入100 μl小牛血清，陽性對照組加入64 g/l苯酚溶液，繼續(xù)培養(yǎng)1、2 d和3 d。棄去培養(yǎng)皿中的浸提液和培養(yǎng)基，加入20 μl/孔的mtt液，繼續(xù)培養(yǎng)6 h，吸去原液，加入150 μl／孔二甲亞砜，振蕩10 min，在beckman du640紫外分光光度計以500 nm波長測定吸光度od值，并計算細胞的相對增殖度(rgr)。rgr=(試驗組od值-空白od值)／(陰性對照組od值-空白od值)
1.2.2 細胞毒性分級與判定
rgr≥100%評為0級；rgr在75%～99%之間評為i級；rgr在50%～74%之間評為ii級；rgr在25%～49%之間評為ⅲ級；rgr在1%～24%之間評為ⅳ級；rgr為0時評為v級)。實驗結(jié)果為1或0級反應(yīng)為合格，實驗結(jié)果為ⅱ級反應(yīng)時需結(jié)合細胞形態(tài)綜合評價，實驗結(jié)果為�！玽級反應(yīng)為不合格。
1.3 急性全身毒性試驗
1.3.1 動物分組及實驗方法
將20只昆明小鼠(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院動物實驗中心提供)，雌雄各半，體重（20±2.0） g，隨機均分為實驗組和對照組，實驗組用生理鹽水ha／40%zro2材料浸提液，對照組用生理鹽水，均以50 ml／kg劑量通過小鼠腹腔注射，觀察注射后24、48和72 h動物的一般狀態(tài)、毒性表現(xiàn)。
1.3.2 結(jié)果評定
72 h內(nèi)實驗組反應(yīng)小于對照組為符合要求；實驗組中40%死亡，或60%出現(xiàn)明顯毒性反應(yīng)，或動物普遍出現(xiàn)進行性體重下降為不符合要求。
1.4 溶血試驗
1.4.1 制備新鮮稀釋血
經(jīng)肘前靜脈抽取健康人(8人，男性)靜脈血4 ml，混入3.2%檸檬酸鈉緩沖劑0.4 ml，加入生理鹽水5 ml進行稀釋即制備出新鮮稀釋血。
1.4.2 實驗分組及方法
實驗組取ha／40%zro2浸提液10 ml，陰性對照組取9 g/l生理鹽水10 ml，陽性對照組取蒸餾水10 ml，每組各取8個試管，將所有試管放入37℃恒溫箱中水浴30 min，各試管內(nèi)分別加入新鮮稀釋血0.2 ml輕搖，37℃恒溫保留60 min，3 000 r/min離心5 min，取上清液在紫外分光光度儀上測定545 nm處的光吸收度(a)。溶血率計算公式：溶血率=(實驗組吸光度-陰性對照組吸光度)／(陽性對照組吸光度-陰性對照組吸光度)×100%
1.4.3 結(jié)果評定
溶血率<5%為合格；溶血率≥5%為不合格
1.5 肌肉內(nèi)種植實驗
1.5.1 實驗分組及方法
選用wister大鼠40只(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院動物實驗中心提供)，雌雄各半，體重（220±25） g，隨機分為術(shù)后第7、15、30、90 d 4組，每組10只。將ha-40%zro2材料塊環(huán)氧乙烷消毒后備用。常規(guī)麻醉消毒，在大鼠脊柱右側(cè)1.0 cm處做切口，分離豎脊肌，于肌肉內(nèi)植入ha／40%zro2材料塊，縫合肌膜和皮膚。術(shù)后每日予以青霉素20萬u肌注，連續(xù)3 d，于術(shù)后第7、15、30、90 d取材。
1.5.2 觀察指標
大體觀察：觀察術(shù)后大鼠飲食、活動、切口反應(yīng)；肉眼下觀察有無材料外露，材料表面的包膜形成情況、有無紅腫等。病理學(xué)觀察：術(shù)后各時相點連同材料、包膜和樣品周圍0.5～1.0 cm厚的肌肉共同取出，常規(guī)he染色，每個標本取3張切片。在光學(xué)顯微鏡下觀察材料周圍包膜形成情況和組織反應(yīng)情況。
1.6 統(tǒng)計學(xué)處理
應(yīng)用spss 11.0統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計量資料兩組間均數(shù)比較采用t檢驗，多組間均數(shù)比較采用單因素方差分析。
2 結(jié)果
2.1 細胞毒性試驗
ha／40%zro2試驗組及陰性對照組，隨著培養(yǎng)時間延長，od值均有增加，陽性組od值無增加，空白組od值為0.041。實驗組與陰性對照組同一時間組間比較差異無顯著性(p>0.05)，與陽性對照組比較差異有顯著性(p<0.01)。ha／40%zro2小牛血清浸提液對l929細胞的細胞毒性均為1級(表1)，符合國家醫(yī)用生物材料細胞毒性要求［2］。
2.2 急性全身毒性實驗
實驗小鼠均無死亡、進食正常，無驚厥、呼吸抑制、腹瀉、運動減少和體重下降等不良反應(yīng)，評價屬無毒級。組間小鼠體重增加量比較差異無顯著性(p>0.05)，小鼠體重增加量見表2。表1 細胞毒性實驗各組od值，rgr和細胞毒性分級分組培養(yǎng)24 hod值rgr（略）
2.3 溶血實驗
ha／40%zro2浸提液組吸光度為0.040±0.003，陰性對照組吸光度為0.009±0.001，陽性對照組吸光度為0.988±0.031，根據(jù)溶血率公式計算ha-40%zro2材料浸提液的溶血率為3.17%，溶血率<5%，符合溶血實驗要求。
2.4 肌肉內(nèi)植入實驗
2.4.1 大體觀察
各組實驗動物術(shù)后當天開始進食且活動正常，創(chuàng)口無明顯出血、滲出，術(shù)后5 d創(chuàng)口愈合良好。未見皮膚破潰、植入物外露等現(xiàn)象。將包繞ha-40%zro2材料的組織切開，術(shù)后第7、15 d時無明顯包膜形成，第30、90 d時可見包膜組織，包膜隨時間延長逐漸變薄。表2 急性全身毒性實驗體重變化情況（略）
2.4.2 組織病理學(xué)檢查
材料植入大鼠豎脊肌植入后7 d，試樣周圍可見以嗜中性粒細胞浸潤為主的炎性反應(yīng)，可見吞噬細胞，無囊壁形成（圖1）；植入15 d后試樣周圍有少量嗜中性粒細胞、淋巴細胞浸潤和巨細胞；試樣周圍可見小血管與纖維母細胞增生，開始形成疏松囊壁（圖2）；植入30 d后，試樣周圍可見少量淋巴細胞，試樣周圍可見纖維母細胞與膠原纖維，并已形成纖維囊腔結(jié)構(gòu)（圖3）；植入90 d后試樣周圍未見或僅見極少量淋巴細胞，纖維化囊壁致密，壁的厚度比形成初期要�。▓D4）。
3 討論
生物陶瓷是目前骨組織工程常用的支架材料，常用的是以羥基磷灰石(hydroxyapatite，ha)粉料為原料［2］，經(jīng)高溫燒結(jié)即得到的生物羥基磷灰石陶瓷，由于其粒徑較大，氣孔大，其脆性及彈性模量較大，影響了在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用［3］。納米生物復(fù)合材料是將納米微粒與其他材料復(fù)合制成各種復(fù)合材料從而獲得許多優(yōu)良特征［4］。氧化鋯(zro2)具有良好的耐磨性、抗生理腐蝕性和好的生物相容性，而且其強度、斷裂韌性指標也高于其他所有的生物陶瓷材料，作為第二相顆粒加入到ha涂層中可以顯著提高涂層材料的力學(xué)性能 ［5］。目前國內(nèi)外已制備出含有(10%～70%)zro2的納米羥基磷灰石復(fù)合材料［6］，其強度和韌性等綜合性能可達到甚至超過致密骨骼的相應(yīng)性能［7、8］。其zro2含量越高其力學(xué)性能提高越明顯，但由于金屬離子效應(yīng)，吸附在材料表面的組織生物分子的化學(xué)組成將會發(fā)生相應(yīng)的變化。為探索在力學(xué)性能和組織相容性上達到平衡，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院與哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨外科共同研究制備成ha／40%zro2，其在強度、硬度和韌性上都得到顯著提高。
當生物材料植入人體后，材料周圍組織(組織細胞，水，離子和生物分子及其他物質(zhì)的體液)的組成是非常復(fù)雜的，表現(xiàn)的形式也多種多樣。組織相容性是指材料與活體組織之間相互容納的程度，即材料的植入或接觸對組織的組成，形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的影響［9］。目前，人們對生物材料與骨的相容性研究主要包括三部分：(1)用體外細胞培養(yǎng)法研究其細胞相容性；(2)用體內(nèi)種植實驗研究其組織相容性；(3)臨床研究其組織相容性。
本實驗測定hap2zro2復(fù)合陶瓷的生物學(xué)性能首先采用體外細胞毒性實驗，選用的四唑鹽(mmt)法是一種國際標準檢測細胞存活和生長的方法，其原理是活細胞線粒體中的琥珀酸脫氫酶能使外源的mtt還原為難溶性的藍紫色結(jié)晶物(formazan)并沉積在活細胞中，而死亡細胞對mtt不起作用，因此死亡細胞不會被染色。由于mtt結(jié)晶物形成量與細胞數(shù)呈正比，od值就能間接反映活細胞數(shù)量。通過計算出不同濃度試驗材料浸提液作用下的細胞增殖度，可以對該材料的細胞毒性作用作出可靠的定量評價。結(jié)果顯示24 h、48 h后的各組ha／40%zro浸提液細胞毒性分級均為0級，72 h后的各組ha／40%zro2浸提液細胞毒性分級0或1級別，且與陰性對照組相比無明顯差異，由此說明ha／40%zro2無細胞毒性作用。
體內(nèi)植入試驗可從宏觀和微觀水平來評價組織工程支架材料對組織的局部反應(yīng)，包括早期的炎癥反應(yīng)和隨后的纖維增生反應(yīng)。通過體內(nèi)植入試驗結(jié)果可見，材料在大鼠肌肉內(nèi)埋植后，均未出現(xiàn)任何壞死、纖維化、異位骨化和囊性改變。鏡下可見在早期(7 d)出現(xiàn)以嗜中性粒細胞浸潤為主的急性非特異性炎癥反應(yīng)，多由于手術(shù)創(chuàng)傷、繼發(fā)性微生物侵入引起的細菌性炎癥或者植入物抑制局部的免疫應(yīng)答能力而產(chǎn)生急性炎癥反應(yīng)。植入15 d后，材料周圍嗜中性粒細胞減少，可見淋巴細胞、巨細胞，轉(zhuǎn)入慢性無菌性炎癥表現(xiàn)，并可見纖維母細胞與膠原纖維，開始形成疏松囊壁。植入30 d后，炎癥反應(yīng)明顯減輕并伴有纖維增生反應(yīng)，植入90 d后，炎癥反應(yīng)基本消失，纖維化囊壁致密且較初期薄。說明材料對正常組織已無刺激作用。符合植入物正常病理變化及評定標準［10］，說明ha／40%zro2與周圍組織有良好的相容性。
在臨床方面研究其組織相容性，采用的全身急性毒性試驗和溶血試驗，根據(jù)結(jié)果提示由于ha和zro2為惰性材料，其在生物體內(nèi)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無組成元素溶出，因此不會因材料可溶性殘余分子的化學(xué)作用導(dǎo)致生物體急性反應(yīng)及溶血作用，說明ha／40%zro2無全身急性毒性及溶血反應(yīng)。
本實驗表明納米羥基磷灰石-40%二氧化鋯生物陶瓷材料具有良好的組織相容性，考慮到其力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)越性，其作為骨組織工程增韌材料、關(guān)節(jié)和口腔修復(fù)材料具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。在臨床應(yīng)用之前，該納米生物材料還需進一步研究遺傳毒性及長期植入試驗，觀察長期植入生物體內(nèi)后復(fù)合材料的化學(xué)、力學(xué)穩(wěn)定性及材料微小顆粒溶解情況，為臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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