骨軟骨一體支架材料的生物力學(xué)性能研究

　　內(nèi)容提要：目的：為研究骨軟骨一體支架材料的力學(xué)性能。方法：通過Zwick/Roell2030萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對本課題組采用化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)制備的兩組骨軟骨一體支架材料進(jìn)行軸向壓縮、3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。結(jié)果：軸向壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：化學(xué)交聯(lián)制備的一體支架在軸向抗壓縮和外抗斷裂方面略高于物理交聯(lián)制備的一體支架。3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：化學(xué)交聯(lián)制備的一體支架的彎曲剛度、彎曲強(qiáng)度、彎曲最大力和彎曲斷裂功等四項(xiàng)指標(biāo)均高于物理交聯(lián)制備的一體支架。結(jié)論：這與骨軟骨一體支架材料的制備方式有關(guān)，化學(xué)交聯(lián)的骨軟骨一體支架材料中化學(xué)鍵的鏈接造成了骨軟骨一體支架材料優(yōu)異的生物力學(xué)性能。

　　關(guān)鍵詞：骨軟骨一體支架力學(xué)性能

　　因創(chuàng)傷等疾病引起的關(guān)節(jié)軟骨病變是骨科常見的疾病。關(guān)節(jié)軟骨沒有血管組織，它自身的修復(fù)能力有限，軟骨細(xì)胞的營養(yǎng)來源為關(guān)節(jié)滑液及細(xì)胞周圍基質(zhì)通過無氧酵解。促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨自身修復(fù)并重建關(guān)節(jié)功能是當(dāng)今世界面臨的臨床難題之一[1]。組織工程學(xué)的發(fā)展，支架材料為軟骨的重建和修復(fù)提供了新的途徑。脫細(xì)胞組織基質(zhì)在去除組織的移植免疫原性的同時(shí)獲得一種無免疫排斥的組織替代物。

　　軟骨組織由于其較致密，脫細(xì)胞試劑不容易滲入，脫細(xì)胞困難，國際上對此研究較少。目前國內(nèi)雖然有關(guān)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)筑的支架多為單層支架僅用于修復(fù)軟骨缺損，而基于軟骨細(xì)胞外基質(zhì)用于修復(fù)骨軟骨聯(lián)合缺損的雙層或多層支架卻鮮有報(bào)道。截止目前，僅有解放軍總醫(yī)院的楊強(qiáng)以犬軟骨細(xì)胞外基質(zhì)和犬脫細(xì)胞骨研制出修復(fù)骨軟骨聯(lián)合缺損的雙層支架;山西大學(xué)杜美麗采用聚羥基丁酸與羥基辛酸為基礎(chǔ)材料，以磷酸三鈣(TCP)為輔助材料，制備出軟骨層/過渡層/硬骨層一體化支架;上海大學(xué)韓振中以明膠/殼聚糖為軟骨層材料、以明膠/殼聚糖和海藻酸鈉/磷酸三鈣(TCP)為過渡層、以聚乳酸/磷酸三鈣為硬骨層通過3D打印技術(shù)復(fù)合成一體支架。但是對于上述這幾種支架仍處于研究階段，未應(yīng)用于臨床[2-4]。

　　因此，研究基于脫細(xì)胞組織基質(zhì)可臨床應(yīng)用的骨軟骨組織工程一體支架產(chǎn)品，將具有巨大的臨床應(yīng)用前景以及產(chǎn)生不菲的經(jīng)濟(jì)效益。本研究以兔脫細(xì)胞松質(zhì)骨為骨軟骨組織工程一體支架的硬骨層，以兔軟骨細(xì)胞外基質(zhì)復(fù)合絲素蛋白為軟骨層，采用冷凍―干燥法制備一體支架，這有別于已經(jīng)報(bào)道的一體支架產(chǎn)品，因此其可能在修復(fù)骨缺損時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的療效。所以，筆者通過生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)手段對采用化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)制備的兩組骨軟骨組織工程一體支架的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

　　1.材料與方法

　　1.1一般材料

　　實(shí)驗(yàn)材料：本課題組采用化學(xué)交聯(lián)(A組)和物理交聯(lián)(B組)的兩組骨軟骨組織工程一體支架。儀器設(shè)備：Zwick/Roell2030萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)(Zwick/Roell，德國)。

　　1.2方法

　　生物力學(xué)試驗(yàn)：軸向壓縮實(shí)驗(yàn)、3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。軸向壓縮實(shí)驗(yàn)：將骨軟骨組織工程一體支架固定并嵌入試驗(yàn)機(jī)卡槽中，以0.5mm/min恒定速度加載，于各位移點(diǎn)可得到相應(yīng)的壓力值，自動打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)�？箟簞偠仁欠从硺�(biāo)本本身抗壓縮的指標(biāo)。3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：按3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)夾具裝夾骨軟骨組織工程一體支架于合適位置并裝接應(yīng)變片，然后再以0.5mm/min恒定速度均勻緩慢加載至其斷裂，自動打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)實(shí)際上包括了拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力。最大應(yīng)力值是反映標(biāo)本抗彎曲強(qiáng)度的指標(biāo)，彎曲剛度則是反映標(biāo)本本身抗彎曲的指標(biāo)。

　　2.結(jié)果

　　2.1軸向壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果軸向壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。2.23點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

　　3.討論

　　從軸向壓縮實(shí)驗(yàn)可知，化學(xué)交聯(lián)制備的一體支架在軸向抗壓縮和外抗斷裂方面略高于物理交聯(lián)制備的一體支架，這可能是由于材料利用化學(xué)交聯(lián)法制備的骨軟骨一體支架材料具有有序緊密的三維結(jié)構(gòu)，不同層之間的材料通過化學(xué)鍵結(jié)合的更為牢固，從而導(dǎo)致化學(xué)交聯(lián)制備的一體支架在軸向抗壓縮和外抗斷裂方面略高于物理交聯(lián)制備的一體支架。

　　同樣從3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果亦可知，化學(xué)交聯(lián)制備的一體支架其彎曲剛度、彎曲強(qiáng)度、彎曲最大力和彎曲斷裂功等四項(xiàng)指標(biāo)均高于物理交聯(lián)制備的一體支架，因此在后期進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用化學(xué)交聯(lián)制備的一體支架，其良好的力學(xué)特性，能與組織植入部位的力學(xué)要求相匹配，三維結(jié)構(gòu)更適合細(xì)胞黏附、增生和分化的表面化學(xué)特性，更有利于骨缺損愈合。通過對化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)制備的兩組骨軟骨一體支架材料進(jìn)行軸向壓縮、3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究，說明化學(xué)交聯(lián)制備的一體支架具有良好的力學(xué)特性，是一種良好的骨軟骨一體支架材料。

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　　生物醫(yī)學(xué)論文投稿刊物：《國際生物醫(yī)學(xué)工程雜志》(雙月刊)曾用刊名：國外醫(yī)學(xué).生物醫(yī)學(xué)工程分冊，1978年創(chuàng)刊，是國際醫(yī)學(xué)系列雜志之一，系公開發(fā)行的國家級專業(yè)學(xué)術(shù)期刊。本刊的辦刊宗旨是：貫徹黨和國家的衛(wèi)生工作方針政策，貫徹理論與實(shí)踐、普及與提高相結(jié)合的辦刊方針，專門報(bào)導(dǎo)國內(nèi)外生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù)、新進(jìn)展、新動向、新成果，促進(jìn)國際生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的學(xué)術(shù)交流。

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