焦磷酸鹽對(duì)β-TCP生物陶瓷材料的力學(xué)性能、體外降解性能和宿主組織炎性反應(yīng)的影響.pdf

1、β-磷酸三鈣（β-tricalcium phosphate，β-Ca3(PO4)2,β-TCP)生物陶瓷材料是廣泛應(yīng)用于骨科、口腔醫(yī)學(xué)、整形外科領(lǐng)域的一種骨缺損修復(fù)材料。目前已有實(shí)驗(yàn)證明β-TCP生物陶瓷材料具有良好的組織相容性和可降解性。
　　前人的研究同時(shí)證明，鈣磷無機(jī)材料成分的Ca/P摩爾比對(duì)材料的生物學(xué)性能、燒結(jié)性能、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和降解性都有重大影響。所以，化學(xué)元素配比對(duì)合成制造β-TCP生物陶瓷材料有關(guān)鍵性意義。如

2、果合成原料配比中的Ca/P摩爾比比值未合理控制或者低于1.50，在β-TCP粉末的燒結(jié)過程中會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品——焦磷酸鈣(Ca2P2O7,CPP)。燒結(jié)過程中生成的CPP是否會(huì)影響β-TCP生物陶瓷的力學(xué)性能、體外降解性能和體內(nèi)組織炎性反應(yīng)，目前國內(nèi)外尚未見研究報(bào)道。
　　目的：
　　觀察焦磷酸鈣CPP對(duì)β-TCP生物陶瓷材料的燒結(jié)性能、力學(xué)性能、降解性能和宿主體內(nèi)炎性反應(yīng)及組織相容性的影響。
　　方法：
　?。?）

3、采用Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4為原料煅燒制得β-TCP粉末。再將采用固相反應(yīng)法以CaHPO4·2H2O為原料制得的CPP按質(zhì)量百分比0wt.％、0.5wt.％、1wt.％、2wt.％、2.5wt.％、5wt.％、7.5wt.％、10wt.％和β-TCP粉末進(jìn)行配比混合，共8組。將煅燒制得的各組陶瓷樣本進(jìn)行X射線衍射分析確認(rèn)物相組成，并進(jìn)行相對(duì)密度RD測定。掃描電鏡觀察材料斷面微觀結(jié)構(gòu)。全自動(dòng)力學(xué)測試機(jī)測量各組陶瓷樣

4、本的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度和彈性模量。通過體外三羥甲基氨基甲烷(Tris)-鹽酸(HCl)的緩沖溶液浸泡實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)陶瓷樣本的體外降解性。
　　（2）將含0wt.％、0.5wt.％、2.5wt.％、5wt.％、10wt.％CPP的β-TCP陶瓷材料和100wt.％CPP陶瓷材料（共6組）植入大鼠體內(nèi)，1w、2w、4w后取出，對(duì)比觀察各組材料表面形成的包囊厚度，對(duì)局部軟組織、包膜進(jìn)行HE染色，分類計(jì)數(shù)炎細(xì)胞觀察炎癥情況，并用掃描電鏡觀察材料表面的

5、細(xì)胞生長情況及材料降解情況。
　　結(jié)果：
　?。?）所有樣品X射線衍射分析結(jié)果證明樣品相對(duì)衍射強(qiáng)度與β-TCP晶相標(biāo)準(zhǔn)卡片9-0169完全一致。
　　在1050℃燒結(jié)5h，制得的純?chǔ)?TCP陶瓷樣本RD=99.4％。在相同的1050℃，5h條件下，含有0.5wt.％CPP的β-TCP陶瓷的RD則迅速下降到96.8％。CPP含量增加到2.5wt.％，陶瓷樣本的RD降為96.5％。CPP含量達(dá)到10wt.％時(shí),RD=89.

6、1％。
　　0wt.％～10wt.％CPP的各組β-TCP陶瓷樣本力學(xué)性能測試表明，陶瓷樣本的抗彎強(qiáng)度從130.46MPa下降到57.88MPa，彈性模量從46.30MPa下降到23.98MPa。隨著CPP含量的增加，陶瓷樣本力學(xué)性能下降，含有10wt.％CPP的β-TCP陶瓷樣本的抗彎強(qiáng)度只有純?chǔ)?TCP樣本的44％。
　　掃描電鏡觀察可見純?chǔ)?TCP生物陶瓷為致密陶瓷體。β-TCP顆粒形狀統(tǒng)一，平均大小為1μm。含有CP

7、P的β-TCP陶瓷致密度下降，表面出現(xiàn)直徑為0.5～1.2μm的粒間孔隙，同時(shí)，β-TCP顆粒大小增大至1.5～2μm。隨著CPP含量的增加，陶瓷材料斷面的孔隙增多，致密度下降。
　　體外Tris-HCl緩沖溶液浸泡實(shí)驗(yàn)中，純?chǔ)?TCP陶瓷樣本在第一天時(shí)的降解率僅有0.05％，第7天時(shí)達(dá)到1.03％，第14天時(shí)達(dá)到1.90％。而含有CPP的陶瓷樣本降解明顯快于純?chǔ)?TCP陶瓷樣本。第1天時(shí)，10wt.％CPP的β-TCP陶瓷的質(zhì)量

8、丟失達(dá)到0.26％，第14天時(shí)達(dá)到5.04％。數(shù)據(jù)表明含10wt.％CPP的β-TCP陶瓷樣本的降解率大約為純?chǔ)?TCP陶瓷樣本的3倍。
　?。?）體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各組陶瓷材料植入大鼠體內(nèi)均引起局部炎癥反應(yīng)，形成包膜包裹，含CPP的β-TCP樣本組包膜形成速度較純?chǔ)?TCP樣本組快。至4w時(shí)，各材料組間包膜厚度的區(qū)別無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，純?chǔ)?TCP的樣本包膜厚度平均值為0.21mm，純CPP樣本的包膜為0.24mm。
　　陶瓷材料表面

9、軟組織包膜中炎細(xì)胞分類計(jì)數(shù)結(jié)果顯示：
　　1w時(shí)，各材料組淋巴細(xì)胞和單核細(xì)胞計(jì)數(shù)組間整體無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P值分別為0.195和0.374）；中性粒細(xì)胞細(xì)胞計(jì)數(shù)0～10wt.％CPP各樣本組組間區(qū)別無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，均值為2.0～2.5個(gè)/高倍視野，100wt.％CPP組的中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)則明顯高于其他各組，均值為9.2個(gè)/高倍視野，差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；嗜酸性粒細(xì)胞和漿細(xì)胞計(jì)數(shù)中，0wt.％CPP組計(jì)數(shù)均為最低，隨著CPP含量

10、增加，嗜酸性粒細(xì)胞和漿細(xì)胞計(jì)數(shù)值均上升，2.5wt.％CPP組嗜酸性粒細(xì)胞均值3.0個(gè)/高倍視野，漿細(xì)胞計(jì)數(shù)達(dá)到2.0個(gè)/高倍視野，100wt.％CPP組則為5.0個(gè)/高倍視野和6.0個(gè)/高倍視野。
　　2w時(shí)，除嗜酸性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)（P=0.217）外，其他各類炎癥細(xì)胞計(jì)數(shù)均有顯著區(qū)別（P＜0.05）。中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)表明：0wt.％CPP組計(jì)數(shù)最低，均值0.67個(gè)/高倍視野，0.5wt.％、2.5wt.％、5wt.％、10wt.％C

11、PP四組之間無明顯區(qū)別，均值4.0～7.7個(gè)/高倍視野，100wt.％CPP組計(jì)數(shù)最高，均值為10.0個(gè)/高倍視野，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。各組淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)2w時(shí)均較1w時(shí)明顯上升，此時(shí)0wt.％CPP組計(jì)數(shù)最低，為4.0個(gè)/高倍視野，100wt.％CPP組計(jì)數(shù)最高，均值為14.3個(gè)/高倍視野，與其他各組差異明顯（P<0.05）。2w時(shí)漿細(xì)胞計(jì)數(shù)中0wt.％、0.5wt.％CPP組兩組較1w時(shí)計(jì)數(shù)變化無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而2.5wt

12、.％、5wt.％、10wt.％、100wt.％CPP組細(xì)胞計(jì)數(shù)則較1w時(shí)明顯下降，此時(shí)100wt.％組計(jì)數(shù)高于其他各組，均值為2.2個(gè)/高倍視野，差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；2w時(shí)10wt.％、100wt.％CPP組單核細(xì)胞細(xì)胞計(jì)數(shù)明顯上升，100wt.％CPP組計(jì)數(shù)達(dá)到9.0個(gè)/高倍視野，遠(yuǎn)高于其他各組（均值2.5～5.0個(gè)/高倍視野），差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。
　　4w時(shí)，嗜酸性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)、漿細(xì)胞

13、各組組間無顯著性區(qū)別（均值分別為2.25個(gè)/高倍視野、4.58個(gè)/高倍視野和0.36個(gè)/高倍視野）。此時(shí)0～5wt.％CPP各組中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)開始下降，均值為0.2～4.0個(gè)/高倍視野，而10wt.％CPP則輕度升高至10.0個(gè)/高倍視野，100wt.％CPP組中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)顯著升高至24.2個(gè)/高倍視野。4w時(shí)，100wt.％CPP組單核細(xì)胞計(jì)數(shù)下降至4.0個(gè)/高倍視野，但仍高于0wt.％～10wt.％CPP各組（均值1.5～2.2個(gè)

14、/高倍視野），0wt.％～10wt.％CPP各組間兩兩比較無明顯區(qū)別（P>0.05）。
　　掃描電鏡下可見：1w時(shí)，0wt.％CPP組材料表面被大量細(xì)胞均勻覆蓋，以成纖維細(xì)胞為主，胞體大致呈球形或圓形，細(xì)胞表面突起較多，微絨毛樣結(jié)構(gòu)豐富，細(xì)胞活性好。10wt.％CPP組表面細(xì)胞表面突起、微絨毛樣結(jié)構(gòu)較少，活性稍差，膠原纖維數(shù)量明顯少于前組。100wt.％CPP組表面亦有許多球形成纖維細(xì)胞粘附，但細(xì)胞延展度小，幾乎未見膠原纖維。2w

15、時(shí)，0wt.％CPP組表面出現(xiàn)大量絲狀膠原纖維顯示細(xì)胞活性較好。5wt.％CPP組表面細(xì)胞表面幾乎無微絨毛狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞突起也較少、較短。10wt.％CPP組表面細(xì)胞退化、變性明顯，纖維膠原少見，生物陶瓷材料有降解。100wt.％CPP組表面有不甚光滑的絲條狀膠原纖維分布，細(xì)胞多呈梭形，間隙較大，可見下方的生物陶瓷材料。4w時(shí)，0wt.％CPP組表面細(xì)胞出現(xiàn)變性壞死，活性良好的圓形成纖維細(xì)胞少見。5wt.％CPP組表面細(xì)胞普遍壞死，膠原纖

16、維膨脹變性，表面粗糙，絕大多數(shù)區(qū)域內(nèi)生物陶瓷材料裸露，材料降解明顯。10wt.％CPP組表面細(xì)胞亦退化、壞死明顯，殘留的細(xì)胞基質(zhì)表面也變得粗糙，膠原纖維呈敗絮樣變性。100wt.％CPP組表面零星可見殘留的細(xì)胞基質(zhì)和變性膠原纖維，材料降解明顯。
　　結(jié)論：
　?。?）CPP顯著降低了β-TCP生物陶瓷的燒結(jié)性能和力學(xué)性能，其力學(xué)性能與CPP含量呈負(fù)相關(guān)。同時(shí)，含有CPP成分加快了β-TCP陶瓷的體外降解。
　　（2）C