氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷修復兔橈骨節段性缺損的影像學觀察

【摘要】  目的 評價放電等離子燒結技術制備的氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷修復兔橈骨節段性缺損的效果。方法 選新西蘭白兔15只,制作10mm長的橈骨節段性缺損模型，分為實驗組：15個肢體，骨缺損區植入氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷人工骨材料;空白對照組：6個肢體，骨缺損區曠置;自體骨對照組：6個肢體，骨缺損區植入自體骨。術后1d，8、16、24周分別進行X線攝片觀察，運用ImageTool圖像處理軟件，進行點像素測定，24周進行掃描電鏡觀察。結果 實驗組：氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷人工骨植入兔橈骨缺損區8周即有新生骨形成,24周材料與骨組織連接在一起，缺損區得以修復。空白組：8周時缺損區有少量骨痂，24周時修復缺損區約1/2;自體骨植入組：8周時骨斷端完全被骨痂包繞，24周時缺損區骨完全修復。像素測量結果顯示三組間骨修復速度差異無統計學意義(P>0.05);重復測量資料的方差分析P=0.007，說明隨著時間的延長骨組織密度增加。實驗組材料兩端修復界面新生骨與皮質骨的X射線攝片像素值進行比較：術后1d，8、16周P<0.05，24周P>0.05。說明術后24周前材料兩端界面在不斷修復，24周時完全修復。掃描電鏡攝片示：實驗組兔植入材料被新骨組織環形包繞與骨組織鑲嵌，皮質骨與界面骨之間形成骨髓腔;在材料表面凹陷中骨細胞環狀排列形成骨單位。結論 證實采用放電等離子燒結技術制備的氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷材料能夠修復新西蘭兔橈骨節段性缺損，具有良好的生物活性和骨傳導性。

【關鍵詞】  羥基磷灰石類;影像學;骨缺損;兔機械論文發表

            羥基磷灰石(hydroxyapatite, HA)是人體骨骼的主要組成部分，人工合成的HA與人體骨組織中的無機成分具有相似的化學組成與結構，具有良好的生物相容性、生物活性[1]。羥基磷灰石復合陶瓷材料的研究報道較多[2-3]，但HA與氧化鋁復合材料的研究報道較少，我們采用放電等離子燒結技術制備的氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷人工骨材料，不僅保留了HA的生物活性，而且在一定組分比范圍內使其力學性能接近于人體骨[4]。現就氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷人工骨修復兔橈骨節段性缺損的影像學觀察報告如下。

　　1 材料與方法

　　1.1 材料制備 氧化鋁(純度>99.99%, TM-DAR, 大明化學工業株式會社, 日本)、羥基磷灰石[Ca5(PO4)3(OH) 純度>99.9%, Merck, Darmstadt, 德國]粉，按照質量比混合配制氧化鋁/羥基磷灰石比例為40/60。采用行星球磨機進行混合，分別用高純氧化鋁球和無水乙醇作為球磨介質來獲得分散均勻的無團聚粉體。將粉體烘干過篩后采用放電等離子快速燒結技術燒結成直徑為25mm的圓形塊體材料，孔徑100μm～100nm，孔率50%。燒結相對密度52.6%，斷裂韌性KIC 2.04±0.12 MPam1/2，抗彎強度(98.3±12.4)MPa。再將材料加工成直徑3.0mm×10mm的圓柱體狀人工骨植入體。

　　1.2 動物模型與分組 選擇清潔級新西蘭大白兔15只， 體質量2.0～2.5kg，由上海斯萊克實驗動物有限責任公司提供，許可證號：SCXK(滬)2003-0003。術前麻醉用30g/L戊巴比妥鈉(上海化學試劑分裝廠生產，批號84-06-12)，30mg/kg體質量，耳緣靜脈注射麻醉，麻醉成功后剪除術肢兔毛，將動物側臥，固定于手術臺，常規消毒雙上肢，沿上肢前外側做縱行切口，長20mm，逐層切開、分離、顯露橈骨，于橈骨中、上1/3交界處截骨，去除橈骨和骨膜，制造10mm長的橈骨節段性骨缺損模型。實驗動物肢體分為3組：實驗組：15個肢體，骨缺損區植入氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷人工骨材料;空白對照組：6個肢體，骨缺損區曠置;自體骨對照組：6個肢體，將截下的自體骨用生理鹽水沖洗后，再植入原截骨處。術后逐層縫合肌肉、皮下、皮膚體積分數為0.75的乙醇消毒傷口，術后常規籠中飼養，不予任何藥物。于術后第1天，第8、16、24周進行相應指標觀測。

　　1.3 觀察指標

　　1.3.1 一般情況與大體解剖觀察 術后觀察動物飲食、毛色、活動、精神狀態、傷口有無腫脹、分泌物等傷口愈合情況。于8、16、24周先行X線攝片，術后第24周無痛處死動物，在植入材料部位逐層切開皮膚、皮下組織、肌肉，觀察皮膚、局部軟組織愈合情況，取完整尺、橈骨觀察骨缺損修復及骨端骨痂生長情況。

　　1.3.2 X線觀察 于術后第1天，第8、16、24周X線正側位攝片觀察骨愈合與修復骨缺損情況，X線攝片統一曝光條件為：電壓50kV,電流100mA,時間0.02s。

　　1.3.3 像素測量 運用ImageTool圖像處理軟件，用點像素測定方法，檢測術后第1天，第8、16、24周X線攝片。分別在材料兩端界面、缺損區上下5mm皮質骨，均勻選8個點，測量點像素值(灰度)，進行統計學分析。空白組，自體骨對照組選取部位相同。

　　1.3.4 掃描電鏡觀察 實驗組兔于術后第24周無痛處死后，取橈骨缺損修復部位及兩端正常骨干，將標本進行磷酸鹽液沖洗，25g/L戊二醛固定后，以植入材料為中心，制作冠切面和縱切面，乙醇逐級脫水，乙酸異丙酯置換，自然干燥，噴鍍金膜。掃描電鏡攝片觀察人工骨材料與宿主骨結合情況。

　　1.4 統計學方法 重復測量資料采用方差分析，組間比較采用q檢驗。

　　2 結果

　　2.1 一般情況與大體解剖觀察 各組大白兔手術過程順利，術后一般情況良好，傷口2周愈合，無分泌物、無竇道，飲食、活動正常。實驗組：8周植入體材料被致密結締組織包繞，植入體與宿主骨結合牢固，推之不動，材料兩端與宿主骨斷端有骨痂形成，斷端可見小突起。16周斷端骨痂由斷端向材料中部延伸，材料與尺骨接觸面骨痂形成，并逐漸向材料包繞。24周材料被骨組織包繞，見圖1(見封2)。空白組：8周時骨斷端及缺損區尺骨面有少量骨痂，24周時缺損區沿尺骨面形成月牙形骨痂，修復區約1/2，見圖2①(見封2)。自體骨植入組：8周時骨斷端完全被骨痂包繞，24周時缺損區骨面平整，只是在斷端可見骨修復痕跡，見圖2②(見封2)。

　　2.2 X線觀察機械論文發表

　　各組隨著時間的推移逐漸修復缺損區，骨痂生長，骨密度增加。實驗組：術后1d X線攝片示：缺損區清晰可見，高密度圓柱狀材料填充其中，骨斷端及尺骨面與材料間有明顯低密度間隙。術后8周材料兩端與宿主骨斷端、材料與尺骨間隙模糊。16周時材料與宿主骨基本形成骨性結合，材料與近端骨斷端皮質骨連續，與遠端骨斷端皮質骨連續性較差。24周時材料與周圍骨組織連接在一起，材料周圍陰影模糊，骨皮質與材料連續，完全形成骨性結合，見圖3。

　　空白對照組：術后X線攝片觀察橈骨中段可見清晰的低密度截骨區。8周時骨斷端及尺骨面有骨痂生長，形成月牙形模糊影，16周可見缺損區逐漸修復，24周時也未能完全修復(見圖4)。自體骨對照組：術后X線片可見截骨兩端清晰的低密度間隙。術后8、16周時近端骨斷端骨連接較好，遠端較差，24周時骨髓腔貫通、骨皮質連續，完全修復(見圖5)。

　　2.3 像素測量結果

　　手術后不同時間的像素測量值差異有統計學意義(P=0.007)。但組間比較差異無統計學意義(P>0.05)，見表1。表1 材料兩端界面不同時相像素測量結果(±s)

　　組別手術后測量時間術后1d術后8周術后16周術后24周實驗組124.33±46.89146.11±40.79171.52±31.67166.86±40.09自體骨對照141.25±44.72171.37±39.06181.81±23.59186.56±21.12空白組97.96±13.29111.91±8.96128.37±8.70151.70±16.42寧夏醫科大學學報31卷

實驗組動物肢體材料兩端界面新生骨與皮質骨的X射線攝片像素值，分別在術后第1天、第8周、第16周差異具有統計學意義(術后1d，t=-3.492,P=0.002;8周t=-2.355,P=0.026;16周t=-2.257,P=0.032)，術后24周差異無統計學意義(24周t=-1.070,P=0.294)，見表2。表2 實驗組材料兩端界面新生骨與皮質骨像素值比較(±s，n=15)

　　組別X射線攝片像素測量值術后1d術后8周術后16周術后24周材料兩端界面新生骨124.33±46.89**146.11±40.79*171.53±31.67*166.86±40.09皮質骨184.26±47.11　176.93±30.05194.11±22.31180.34±27.82 與皮質骨相比**P<0.01,*P<0.05

　　2.4 掃描電鏡觀察 實驗組兔冠切面可見材料被新骨組織環形包繞，界面不規整，材料與骨組織鑲嵌，皮質骨與界面骨之間形成骨髓腔(見圖6，見封2)。骨組織深入材料凹陷與材料界面呈齒狀(見圖7，見封2)。在材料表面凹陷中骨細胞環狀排列形成骨單位(見圖8)。

　　3 討論

　　采用放電等離子燒結技術制備的氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷人工骨材料具有良好的生物活性、生物相容性和骨傳導性[4]，可以燒結成形與缺損部位相應的形狀，可以通過調節氧化鋁與羥基磷灰石的比例、孔徑、孔率使其力學性能接近受體骨力學要求，易于消毒，難以降解。雖然與理想的骨組織替代材料[5-6]還有差距，但是與目前已經運用于臨床的鈦金HA涂層材料比較，其力學性能完全可以替代鈦金，表面直接成骨，并避免了鈦金HA涂層溶解、剝脫的弊病[7,8]，具有研究價值。

　　氧化鋁羥基磷灰石多孔材料表面微孔加大了成骨面積，使新骨組織與材料連接更加牢固。由于材料未進行任何輔助固定，植入技術影響著修復質量，我們在實踐中基本解決了這個技術問題[9]。通過大體解剖觀察和連續X線攝片結果證實，氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷人工骨材料植入兔橈骨缺損區8周與宿主骨牢固結合，斷端即可見新生骨痂，16周時材料與宿主骨基本形成骨性結合，材料與皮質骨連接;24周時新骨生長良好，與皮質骨連接緊密，缺損區完全修復。24周時空白組缺損區只有部分修復，自體骨植入組骨皮質完全連接，骨髓腔貫通，完全修復。

　　像素測量結果顯示，手術后不同時間的像素測量值隨時間的延長，像素值逐漸升高，說明新生骨組織不斷修復缺損區。但組間比較差異無統計學意義，P>0.05。可能是三組像素測量區均為新骨修復點，所以生長速度基本相同。

　　實驗組材料兩端界面新生骨與皮質骨的X射線攝片像素值比較顯示：24周時差異無統計學意義，而在術后8、16周差異具有統計學意義，說明24周時修復骨密度已經與皮質骨接近。

　　掃描電鏡觀察顯示，新骨組織包繞材料，深入材料凹陷之中與材料間呈齒狀界面，并觀察到在材料凹陷中形成骨單位。

　　通過本實驗我們觀察到氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷人工骨材料修復骨缺損的過程，即骨痂生長從骨端和尺骨側開始，在斷端可見小的骨痂突起，隨著時間的推移新骨沿著材料表面向缺損區中央爬行，24周時在材料周圍形成密質骨，與骨端皮質骨連接在一起。證實放電等離子燒結技術制備的氧化鋁羥基磷灰石復合陶瓷人工骨材料具有良好的生物相容性、生物活性、骨傳導性，可以修復兔橈骨缺損，為承重骨替代材料研究提供了實驗基礎。機械論文發表

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