計算機技術輔助構建復雜形狀軟骨的實驗研究.pdf

1、耳鼻咽喉－頭頸外科疾病中存在著較多的患者因軟骨組織缺損而嚴重影響功能和外觀美容。傳統(tǒng)治療方法是以自體軟骨、異體軟骨或人工材料進行修復，但現(xiàn)在方法因有供體來源有限、異物反應和感染等問題而使其應用受到一定限制，尋找一種理想的修復重建方法成為眾多研究者探討的熱點問題。新興的組織工程技術以生物學及工程學方法合成具有功能的損失組織替代物，有望解決上述難題。但目前組織工程技術存在著復雜形狀組織或器官塑形困難，無法準確根據(jù)個體特有的解剖結構來制作支架

2、的缺點。由于頭頸部軟骨組織形態(tài)比較復雜，不同個體形態(tài)差別較大，使得這一矛盾在頭頸部軟骨組織工程中表現(xiàn)得更加突出。因而，探索一種新的組織工程技術解決上述問題顯得十分必要。本實驗利用計算機技術輔助構建與頭頸部缺損組織形態(tài)結構一致的模具，以不同的生物材料為支架，采用不同的模具成形方法構建復雜形狀軟骨前體，并行氣管前壁缺損修復的實驗研究，為頭頸部軟骨組織缺損的修復及重建提供理論和實驗依據(jù)。 研究目的 1.研究藻酸鈉凝膠的力學特性

3、及生物相容性，確定固化劑氯化鈣溶液的最佳濃度。 2.探討由計算機技術輔助用快速成形機構建甲狀軟骨陰模及藻酸鈣凝膠體外按陰模塑型的可行性。 3.探討由計算機技術輔助構建β-TCP 材料的氣管軟骨環(huán)行氣管前壁缺損修復的可行性。 材料與方法 1、藻酸鈣凝膠力學特性及生物相容性的實驗研究 將制備好的1.5％(w／v)藻酸鈉凝膠分別與濃度為100mmol/L、200mmol/L、300mmol/L、400m

4、mol/L、500mmol/L的氯化鈣溶液混合制成高25mm,直徑13mm的柱狀藻酸鈣凝膠，用材料試驗機測定其最大可承受載荷，根據(jù)測定值繪制曲線圖。取第三代兔關節(jié)軟骨細胞與此濃度藻酸鈉凝膠混合置入圓柱形模具中，然后將其分別浸入100 mmol/L、200 mmol/L、300 mmol/L、400mmol/L、500 mmol/L的CaCl2溶液中，使其交聯(lián)形成圓柱狀，去除模具，在DMEM完全培養(yǎng)液中培養(yǎng)，分別于1周、2周、4周、6周取

5、出培養(yǎng)物，行大體及組織學觀察。取人鼻中隔軟骨細胞原代與濃度為300 mmol/L藻酸鈣凝膠體外培養(yǎng)8周后，行大體及組織學觀察。 2、計算機技術輔助構建甲狀軟骨的實驗研究 選取甲狀軟骨骨化好的病人的連續(xù)薄層CT掃描圖像。采用上海交通大學自行編制的醫(yī)學斷層處理軟件使甲狀軟骨的CT掃描數(shù)據(jù)形成甲狀軟骨的三維數(shù)據(jù)模型，最后以STL文件格式輸出。以STL文件格式把三維數(shù)據(jù)模型輸入快速成形機，采用立體平板印刷技術（Stereolit

6、hography SL技術）制作出甲狀軟骨的陰模。用上述實驗得出的最佳濃度（即300 mmol/L）的藻酸鈣凝膠復合軟骨細胞，在制作好的甲狀軟骨陰模內塑型后植入動物體內培養(yǎng)，8周后取材行大體及組織學觀察。 3、計算機技術輔助構建氣管軟骨環(huán)并行氣管前壁缺損修復的實驗研究 計算機輔助構建氣管軟骨環(huán)陰模的方法與構建甲狀軟骨陰模的方法相同。采用凝膠注模成型技術制造出β-TCP 材料的氣管軟骨環(huán)。取成年狗6 只，行氣管前壁3 至5

7、 環(huán)全層缺損造模（缺損2cm×5cm）。實驗組3 只用頸前帶狀肌封閉缺損處，其上懸吊2 個β-TCP 人工氣管軟骨環(huán)；對照組3 只僅用頸前帶狀肌封閉缺損處。術后密切觀察所有動物的呼吸、進食及頸部活動情況，對存活至8 周的實驗組動物行纖維喉鏡檢查、頸部CT 檢查、大體觀察及常規(guī)組織學檢查；對存活至8 周的對照組動物行纖維喉鏡檢查、大體觀察。 結果 1、藻酸鈣凝膠力學特性及生物相容性的實驗研究 藻酸鈣凝膠抗壓強度隨氯

8、化鈣濃度的增加而逐漸增加。浸入100mmol/L、200mmol/L、300mmol/LCaCl2 溶液中的圓柱形細胞與藻酸鈉凝膠復合體在1周、2 周、4 周、6 周時形態(tài)保持較好，在6 周時出現(xiàn)類軟骨樣改變。兔關節(jié)軟骨細胞與其復合良好，并能在其中保持活性及分裂能力；浸入400mmol/L、500mmol/LCaCl2 溶液中的圓柱形細胞與藻酸鈉凝膠復合體在1 周時已有部分已裂開，切片HE 染色已見不到完整的軟骨細胞。根據(jù)上述試驗結果C

9、aCl2溶液濃度300mmol/L 以下細胞在其中生長均良好，300mmol/L 的藻酸鈣凝膠抗壓強度大于100mmol/L、200mmol/L 的，故得出300mmol/L CaCl2 濃度為此實驗所需的最佳濃度。取人鼻中隔軟骨細胞與此最佳濃度的藻酸鈣凝膠混合培養(yǎng)8 周，鼻中隔軟骨細胞在其中分裂增殖能力活躍。 2、計算機技術輔助構建甲狀軟骨的實驗研究 由計算機技術輔助用快速成形機制作出樹脂的甲狀軟骨陰模，用最佳濃度30

10、0mmol/L的藻酸鈣凝膠復合軟骨細胞，在制作好的甲狀軟骨陰模內塑型后植入動物體內培養(yǎng)8周后取出植入物，與植入時相比形態(tài)已不完整。常規(guī)組織切片可見軟骨陷窩，藻酸鈉支架材料已基本消失。 3、計算機技術輔助構建氣管軟骨環(huán)并行氣管前壁缺損修復的實驗研究 實驗組動物存活良好，無明顯呼吸困難，頸部活動自如，進食無嘔吐，8 周后CT 檢查未見支架材料的明顯移位。纖維喉鏡檢查可見修復部位管腔未見明顯狹窄，鏡體可以順利通過；處死后見支架

11、材料與氣管周圍組織融為一體，管腔內有少許肉芽組織；HE 切片顯示：支架材料與周圍組織已融為一體，可見到已有組織長入支架材料的孔隙中。1 只對照組因皮下氣腫而于手術后當晚死亡，解剖后可見頸前帶狀肌修復部分的氣管前壁塌陷，堵塞管腔；其余2 只于術后1 周出現(xiàn)氣喘，術后2 周出現(xiàn)進食嘔吐，且隨時間逐漸加重；8 周后行纖維喉鏡檢查見：去除氣管環(huán)部分已塌陷，呼吸時塌陷部分幾乎堵塞整個管腔，有明顯反常呼吸運動出現(xiàn)；處死后見管腔已狹窄。 結論

12、 1. 隨著氯化鈣濃度的增加藻酸鈣凝膠的抗壓強度亦增加；但軟骨細胞呈現(xiàn)生長不良情況。實驗結果顯示：300 mmol/L 的氯化鈣濃度為最佳結合點。在氯化鈣濃度適當?shù)臈l件下，兔關節(jié)軟骨細胞及人鼻中隔軟骨在藻酸鈉溶膠中均生長良，可見藻酸鈉是很好的細胞外基質材料。但在和軟骨細胞體外共培養(yǎng)中容易變形，與培養(yǎng)中酸性物質的作用及缺少流體動力刺激有關，故需改進體外培養(yǎng)的裝置，如改用生物反應器。 2. 由計算機技術輔助用快速成形機能準確

13、制作出甲狀軟骨陰模?？梢娪捎嬎銠C技術輔助能夠按缺損軟骨的形態(tài)準確構型，為不同形態(tài)軟骨缺損提供更好的修復。但是由于藻酸鈉成溶膠狀，加之氯化鈣固化的時間難以很好把握，故體外準確塑型有一定困難，故對在體外塑復雜形狀，藻酸鈉溶膠不是合適的材料，下一步需改進體外塑型的支架材料。 3. 用計算機技術輔助構建β-TCP 氣管軟骨環(huán)并行狗氣管前壁缺損修復的實驗研究結果可知：β-TCP 材料能按模具準確塑型，是合適的體外塑型材料。 通過對