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研究背景

目前全球骨缺損手術(shù)每年約為2000萬例，為保持原有骨骼的結(jié)構(gòu)與功能的完整，骨修復(fù)就必須依賴于移植材料，因而臨床治療中對(duì)于具有支撐作用的骨植入材料需求量巨大。植入材料的特性對(duì)于骨修復(fù)具有重要影響，是再生醫(yī)學(xué)研究中的關(guān)鍵問題，也是臨床骨修復(fù)的核心要點(diǎn)。聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 骨水泥是臨床上出現(xiàn)很早、使用非常廣泛的骨水泥制品，其安全性和臨床效果已經(jīng)得到普遍認(rèn)可。但是過高的彈性模量、相對(duì)較低的生物活性都限制了它在臨床使用上的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。

骨組織的修復(fù)和再生是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，始于骨祖細(xì)的增殖和遷移，最終分化為成熟骨細(xì)胞。雖然骨組織具有較強(qiáng)的再生能力，但是當(dāng)大段骨組織損傷造成大范圍骨缺損時(shí)，為保持原有骨骼的結(jié)構(gòu)和功能，骨的修復(fù)就必須依賴于移植材料。植入材料的特性對(duì)于骨修復(fù)具有重要影響，該過程的影響成為再生醫(yī)學(xué)研究中的關(guān)鍵問題，也是臨床骨修復(fù)的核心要點(diǎn)。骨植入材料主要有自體骨、異體骨(同種異體骨、異種骨)和合成材料等。自體骨一直被認(rèn)為是骨移植材料的金標(biāo)準(zhǔn)，但來源有限，取骨后容易出現(xiàn)穿孔、傷口感染、膿腫、出血等相關(guān)并發(fā)癥，植入困難、創(chuàng)傷大等，也使其在臨床上的應(yīng)用受到限制。隨著組織工程技術(shù)的不斷發(fā)展，人工骨不僅可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而且往往具有新的研究不斷賦予的生物相容性、成骨誘導(dǎo)性等特點(diǎn)，使得人工骨普遍應(yīng)用于臨床骨修復(fù)以及作為骨外科填充材料。

鑒于上述缺點(diǎn)，材料和醫(yī)學(xué)科學(xué)家嘗試了多種PMMA骨水泥改性策略，通過改變單體、添加生物活性材料或有機(jī)材料等策略來優(yōu)化PMMA骨水泥的生物機(jī)械性能和生物學(xué)活性。

方法與結(jié)果

本研究以PMMA骨水泥作為支持材料，在其中添加具有生物活性的礦化膠原（MC）材料，通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究復(fù)合骨水泥的材料學(xué)表征以及體內(nèi)外活性，通過將該材料應(yīng)用于臨床，探究臨床的實(shí)用性以及價(jià)值。采用兔骨質(zhì)疏松模型對(duì)復(fù)合骨水泥材料MC-PMMA在體內(nèi)的生物相容性及成骨性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

采用島津InspeXio SMX-225 CT FPD HR對(duì)骨水泥進(jìn)行掃描重建，統(tǒng)計(jì)骨水泥的孔隙率。如圖1所示，PMMA骨水泥的孔隙率與MC-PMMA骨水泥的孔隙率幾乎相同（5.61±0.16%比7.22±0.53%）。與PMMA骨水泥相比，MC-PMMA具有較低的CT值（9.36±0.13對(duì)5.46±0.22）。

圖1 島津micro-CT掃描材料結(jié)果

體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，更重要的評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)為影像學(xué)評(píng)價(jià)。在4周，8周，12周時(shí)處死兔子，選擇有材料的椎體，在Micro-CT定位下確定材料的位置，并進(jìn)行硬組織切片和染色。采用島津InspeXio SMX-225 CT FPD HR掃描樣品，掃描后經(jīng)三維等值畫圖軟件重建并進(jìn)行成骨體積分析測(cè)定。通過X線透視及CT掃描影像評(píng)估樣品植入前后的形狀、骨密度，并通過成骨體積的測(cè)量進(jìn)行定量分析。

術(shù)后各組在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的典型掃描三維重建結(jié)果如圖2A所示，骨水泥材料牢固地結(jié)合到骨組織上，沒有明顯的間隙。通過顯微CT進(jìn)行的三維渲染顯示了缺損和骨水泥的位置。在圖2A中，骨水泥具有以紅色和黃色顯示的高CT值，而骨是黑色的。隨著骨水泥被骨替代，顏色變?yōu)榫G色，藍(lán)色，最后變?yōu)楹谏砻鰿T值逐漸降低。在4周時(shí)，兩組標(biāo)本的骨水泥CT值和體積相似。在8周時(shí)，MC-PMMA組的CT值下降，但在PMMA組中幾乎相同。在12周時(shí)，MC-PMMA組的CT值與以前相似的區(qū)域更多。然而，PMMA組的CT值保持不變。骨水泥的界面外觀和CT值的差異表明MC-PMMA組中的材料吸收和骨再生比PMMA組更多。在手術(shù)后4,8和12周，MC-PMMA骨水泥組的椎體重建三維圖像的定量顯示比PMMA骨水泥組有更多的骨形成（圖2B-E）。手術(shù)后4周，MC-PMMA組的骨量百分比和骨小梁厚度較高。然而，骨小梁厚度或骨小梁分離沒有差異。手術(shù)后8周和12周，與PMMA組相比，MC-PMMA組的骨小梁厚度顯著增加，骨量百分比增加，骨小梁數(shù)較高，骨小梁分離度較低，表明隨著時(shí)間的推移MC-PMMA組的骨生長(zhǎng)增加。

圖2 micro-CT三維重建結(jié)果和計(jì)算結(jié)果

總結(jié)與討論

本研究通過向廣泛用于PVP和BKP的PMMA骨水泥品牌的粉末中添加礦化膠原來開發(fā)基于生物活性PMMA的骨水泥。與PMMA骨水泥相比，MC-PMMA骨水泥的壓縮模量顯著降低，而處理時(shí)間大致相同。MC-PMMA骨水泥促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化，并加速骨質(zhì)疏松兔模型中椎骨的修復(fù)和小規(guī)模臨床試驗(yàn)中患者的OVCF。我們的研究結(jié)果表明，MC-PMMA骨水泥有望用于臨床轉(zhuǎn)化。

微焦點(diǎn)X射線CT裝置

inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus

高分辨率，圖像清晰

擅長(zhǎng)復(fù)合材料的拍攝

操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)速度快

文獻(xiàn)題目

《Bioactive poly (methyl methacrylate) bone cement for the treatment of osteoporotic vertebral compression fractures》

使用儀器

島津inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus

第一作者

諸進(jìn)晉，楊淑慧

原文鏈接：

https://doi.org/10.7150/thno.44276