組織工程化納米-羥基磷灰石-聚己內酯人工骨支架的制備及其相關性能的研究.pdf

1、研究背景:
　　 由于創(chuàng)傷、畸形、腫瘤等疾病導致的骨缺損是骨科醫(yī)生所面臨的十分棘手的難題。傳統(tǒng)骨移植手段包括自體骨和異體骨移植。自體骨移植雖是骨修復策略中的“金標準”,但由于其來源有限,術后并發(fā)癥多,臨床應用有限;異體骨移植雖來源充足,但其外源性易引發(fā)機體劇烈的排斥反應,移植成功率低。因此,開發(fā)能夠彌補上述不足的骨移植材料是當前研究的熱點與難點。近些年來,飛速發(fā)展的組織工程技術也許有望擔當此重任。
　　 研究目的:

2、>　　 本研究以無機的羥基磷灰石與有機的聚己內酯作為原材料,使用快遞成型技術中的一種——“選擇性激光燒結技術”構建人工骨支架,并將其與能夠持續(xù)分泌人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7的種子細胞相復合,制備出組織工程化納米-羥基磷灰石/聚己內酯人工骨支架,通過對該組織工程化人工骨支架的表征、體外生物相容性、生物活性以及骨缺損修復能力進行檢測與分析,證明了組織工程化納米-羥基磷灰石/聚己內酯人工骨支架的臨床應用潛力,為其今后在骨缺損治療中的應用奠定了一定

3、的實驗基礎。
　　 研究方法:
　　 1.制備納米-羥基磷灰石/聚己內酯人工骨支架:
　　 本部分研究以納米級羥基磷灰石與微米級的聚己內酯為原材料。根據反應方程式(10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3·H2O→Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O)制備得到納米-羥基磷灰石粉末;通過深溫冷凍粉碎技術,制得微米級別的聚己內酯粉末。通過掃描電鏡和X線衍射等表征檢測,證明所制備的兩

4、種粉末材料正是本研究所需的兩種物質,同時符合了本研究對原材料粒徑大小的需求。使用Ⅴ型混合機將兩種材料的混合粉末混合5min、15min、30min、45min、1h、2h,混合完成后,掃描電鏡觀察混合的均勻度以確定最佳混合時間。根據最佳混合時間,制備出不同的質量比的納米-羥基磷灰石與聚己內酯混合粉末。通過對選擇性激光燒結機器參數的不斷摸索及優(yōu)化,確定出制備納米-羥基磷灰石/聚己內酯人工骨支架的最優(yōu)參數。對制備完成的各組支架,經宏觀觀察、

5、掃描電鏡、孔隙率、抗壓強度、MTT、ALP染色及茜素紅染色等檢測,考察各組支架的形態(tài)結構、力學強度、生物相容性與生物活性,比較并篩選出綜合性能最佳的納米-羥基磷灰石/聚己內酯支架,以作為后續(xù)體內實驗的樣品。
　　 2.制備轉基因種子細胞:
　　 本部分研究首先從新西蘭兔股骨骨髓中分離、提取出骨髓間充質干細胞,并進行培養(yǎng)、傳代,傳至第3代時即可用作實驗。根據GenBank中人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7(hBMP-7)的基因序列(基

6、因序列號:NM001719),利用基因工程技術,制備出重組腺病毒載體Ad-CMV-hBMP7-ires-eGFP,對該重組腺病毒載體進行酶切與測序驗證。將驗證正確的重組腺病毒載體進行包裝、擴增與純化,293細胞感染劑量法測定重組腺病毒的滴度。通過體外基因轉染的方法將hBMP-7轉染到先前制得的兔骨髓間充質干細胞上,得到本研究所需的轉基因種子細胞,經RT-PCR、Western blot與鈣結節(jié)染色,以觀察轉基因種子細胞在體外環(huán)境中目的基

7、因hBMP-7的表達情況及其對骨髓間充質于細胞成骨分化的誘導作用。
　　 3.納米-羥基磷灰石/聚己內酯人工骨支架與轉基因種子細胞的復合
　　 本部分研究通過建立新西蘭兔股骨局部骨缺損及橈骨大段骨缺損模型,將單純聚己內酯支架、納米-羥基磷灰石/聚己內酯支架以及納米-羥基磷灰石/聚己內酯+轉基因種子細胞支架分別植入骨缺損部位,通過植入后不同時間點的影像學與組織學檢查,以觀察并評定各組支架對新西蘭兔骨缺損的修復情況,并由此探

8、索納米-羥基磷灰石/聚己內酯人工骨支架與攜帶有hBMP-7目的基因的種子細胞結合后是否具有協(xié)同促進骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化的能力。
　　 研究結果:
　　 1.羥基磷灰石與聚己內酯粉末的掃描電鏡與X線衍射結果顯示,所制備的兩種材料粉末分別達到了納米級別與微米級別,同時其與標準樣品的符合率均達到了99％以上,表明這兩種材料粉末達到了本研究對原材料的要求。Ⅴ型混合機將兩種材料的混合粉末混合5min、15min、30mi

9、n、45min、1h、2h后的掃描電鏡結果表明,1h的混合均勻度與2h相似,但較5min、15min、30min、45min均為高,因此確定,1h為最佳混合時間。將兩種材料粉末按照“納米-羥基磷灰石∶聚己內酯=0∶100、5∶95、10∶90、15∶85、20∶80”的比例混合,根據摸索與優(yōu)化出的選擇性激光燒結機器參數,以燒結納米-羥基磷灰石/聚己內酯人工骨支架,燒結完成后,人工骨支架的掃描電鏡、孔隙率、抗壓強度、MTT、ALP染色及茜

10、素紅染色等試驗結果顯示,選擇性激光燒結技術所制備出的支架具有相互連通的三維孔隙結構,隨著納米-羥基磷灰石比例的增高,人工骨支架的孔隙率略微隨之下降,但力學強度卻有著顯著提高,達到了7Mp; MTT的結果顯示各組人工骨支架均具表現(xiàn)出良好的生物相容性;同時,ALP染色及茜素紅染色的染色結果表明含有納米-羥基磷灰石的組的人工骨支架的生物活性明顯優(yōu)于純聚己內酯組,且隨著納米-羥基磷灰石含量愈高其生物活性愈強。
　　 2.從新西蘭兔骨髓中

11、分離、提取出骨髓間充質干細胞,并進行培養(yǎng)、傳代,傳至第3代時用作實驗。利用基因工程技術,成功構建出重組腺病毒載體Ad-CMV-hBMP7-ires-eGFP,酶切測序并驗證。結果顯示此核酸序列與PUBMED中公布的hBMP7序列(NM-001719)的編碼序列100％吻合,證明且插入片段方向正確。梯度稀釋重組腺病毒載體Ad-CMV-hBMP7-ires-eGFP感染293細胞,48h后熒光計數法進行病毒感染滴度測算,得到重組腺病毒載體A

12、d-CMV-hBMP7-ires-eGFP感染滴度約為1.1×1011 v.p./ml。使用該重組腺病毒載體Ad-CMV-hBMP7-ires-eGFP轉染3代兔骨髓間充質干細胞后第1-3d熒光計數情況。以出現(xiàn)較高的細胞轉染效率、較輕微的細胞毒性反應以及較經濟的病毒用量為判定標準,確定該重組腺病毒載體Ad-CMV-hBMP7-ires-eGFP轉染兔骨髓間充質干細胞的最佳感染復數(MOI)為50∶1。選用最佳感染復數(MOI=50∶1)

13、感染兔骨髓間充質干細胞。以重組腺病毒載體Ad-CMV-hBMP7-ires-eGFP感染兔骨髓間充質干細胞為實驗組,以Ad-CMV-ires-eGFP感染兔骨髓間充質干細胞為對照組,以兔骨髓間充質干細胞不進行處理為空白對照組,連續(xù)誘導培養(yǎng)3周。誘導培養(yǎng)期間于第4、7、14、21、28d,hBMP7的PCR實時定量測定與Western blot結果表明:重組腺病毒載體Ad-CMV-hBMP7-ires-eGFP轉染兔骨髓間充質干細胞后能夠

14、有效介導外源目的基因的表達,且被轉染細胞的hBMP7表達在14d時到達高峰,在21d時開始下降。培養(yǎng)期間倒置顯微鏡下觀察到,實驗組細胞隨著培養(yǎng)時間的延長,逐步出現(xiàn)成骨誘導樣形態(tài)改變,細胞由紡錘形轉變?yōu)榱⒎叫?、多角?同時有點狀鈣化斑出現(xiàn)。同時,誘導培養(yǎng)第4、7、14、21、28d的ALP染色、Ⅰ型膠原PCR實時定量測定、茜素紅染色的實驗結果顯示:實驗組的ALP染色陽性強度最高;Ⅰ型膠原的表達最多;鈣結節(jié)數量多,形態(tài)明顯,這亦表明實驗組中

15、被轉染的兔骨髓間充質干細胞被成功的誘導并開始向成骨細胞方向分化。
　　 3.分別建立新西蘭兔股骨外上髁處直徑6mm,深度10mm的局部骨缺損以及新西蘭兔橈骨中段長度為20mm的大段骨缺損模型,并植入相應材料,植入后逐層縫合切口。術后常規(guī)肌肉注射抗生素7天。術后1-14天觀察顯示,各組植入材料區(qū)域均無感染現(xiàn)象,各實驗動物傷口愈合良好,所有切口Ⅰ級愈合。以上結果表明,植入的材料對實驗動物無明顯不良影響。術后3w、6w、9w及12w的

16、Micro-CT結果顯示,納米-羥基磷灰石/聚己內酯+轉基因種子細胞支架植入組,其骨缺損修復情況較其余3組明顯為優(yōu),9w時其局部骨缺損包括皮質骨幾乎已修復完畢,12w時骨缺損區(qū)域生成的新骨結構完整、連續(xù),骨髓腔大部分已通,缺損幾乎完全修復。同時植入區(qū)域病理切片示,各植入組未見有明顯的不良炎癥反應和免疫反應,且納米-羥基磷灰石/聚己內酯+轉基因種子細胞支架植入組的新骨生成量明顯多于其余各組,且在9w和12w時,植入的材料已經出現(xiàn)較為明顯的

17、降解,降解部分多被纖維組織或新生骨所替代。
　　 研究結論:
　　 選擇性激光燒結技術作為快速成型技術的一種,能夠根據計算機三維模型,進行快速、批量的加工生產,表明其在組織工程,乃至骨科臨床領域具有巨大的應用潛力。
　　 以納米-羥基磷灰石與聚己內酯粉末為原材料,通過選擇性激光燒結技術所制備出的人工骨支架,經實驗證明,具有高度聯(lián)通的三維孔隙結構,較高的孔隙率,較為優(yōu)秀的力學強度,同時亦具有出色的生物相容性及生物活