新型誘導(dǎo)成骨可降解生物材料增塑淀粉骨埋植的生物安全性觀察

徐小川，姚源，田偉，石銳，陳大福，張秀麗(北京積水潭醫(yī)院，北京0005；北京市創(chuàng)傷骨科研究所；北京市第六醫(yī)院)

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·基礎(chǔ)研究·

新型誘導(dǎo)成骨可降解生物材料增塑淀粉骨埋植的生物安全性觀察

徐小川1，姚源1，田偉2，石銳2，陳大福2，張秀麗3(1北京積水潭醫(yī)院，北京100035；2北京市創(chuàng)傷骨科研究所；3北京市第六醫(yī)院)

摘要：目的評估新型誘導(dǎo)成骨可降解生物材料增塑淀粉的生物安全性。方法以12只新西蘭兔為實驗對象，采用自身左右對照的方式在其雙側(cè)脛骨平臺分別埋植增塑淀粉和S-99可溶性止血紗布。觀察4周、8周、12周三個階段手術(shù)區(qū)骨組織相容性。結(jié)果所有觀察期雙側(cè)手術(shù)區(qū)肉眼觀察未見充血紅腫及骨膜增厚，組織學(xué)觀察未出現(xiàn)骨吸收及骨破壞。結(jié)論增塑淀粉的骨組織相容性較好。

關(guān)鍵詞：增塑淀粉；成骨材料；骨埋植；生物相容性評價；兔

海藻酸鹽是一種從海洋褐藻中分離出來的天然多糖。由于良好的生物相容性被廣泛應(yīng)用在藥物和組織工程等醫(yī)療領(lǐng)域，如藥物緩控釋系統(tǒng)的骨架結(jié)構(gòu)[1]和凝膠狀組織工程載體或支架材料[2，3]，但其凝膠在生理環(huán)境中容易溶解而失去凝膠特性，此過程難以控制和預(yù)測；同時，因其具有較強的親水性故對蛋白質(zhì)吸附較差，缺乏細胞特異性作用位點，大量研究著力于海藻酸鹽的改性。增塑淀粉是北京化工大學(xué)研發(fā)的彈性體生物材料，增塑后普通淀粉的強度和彈性大大增加[4]。該材料分子量巨大、纏繞點多、對小分子具有超強包容性，可作為替代海藻酸鹽的可降解材料，通過加入骨誘導(dǎo)因子，易成為具有止血及誘導(dǎo)成骨雙重作用的組織工程材料[5]。骨埋植試驗，是體內(nèi)試驗的一種，即將材料通過外科手術(shù)植入到動物的骨組織中，一定時期后通過光學(xué)或電子顯微鏡觀察評價材料對活體組織的局部毒性作用，可以觀察組織與材料的接觸界面以及骨吸收和骨形成情況。依照YY/T 0127.4-1998[6]，2006年1月～2007年10月我們采用自身對照方式對增塑淀粉進行骨埋植試驗，觀察增塑淀粉的生物安全性。

1材料與方法

1.1材料體質(zhì)量2.5 kg的健康家兔12只，4周、8周、12周3個試驗期各4只。實驗部位為家兔雙側(cè)脛骨平臺。

1.2方法

1.2.1植入物的準(zhǔn)備依照YY/T 0127.4—1998標(biāo)準(zhǔn)，實驗材料需填裝入直徑1.5 mm，長5 mm的膠管內(nèi)。選用臨床使用的輸液器膠管，制成規(guī)定形狀，膠管植入前經(jīng)高溫高壓消毒。增塑淀粉經(jīng)鈷60照射消毒備用，對照組為S-99可溶性止血紗布(金臺牌，北京紡織科學(xué)研究所)。

1.2.2手術(shù)方法采用自身左右對照方式，一側(cè)埋置實驗材料，另一側(cè)為對照材料。全身麻醉后于股骨外側(cè)、脛骨內(nèi)側(cè)備皮，用濃度為25 g/L的碘酒及75%(V/V)乙醇對術(shù)區(qū)消毒，逐層切開并分離皮膚、皮下組織、肌肉、骨膜。用齒科低速鉆在脛骨平臺骨皮質(zhì)上鉆孔，同時用生理鹽水冷卻。左側(cè)脛骨為實驗側(cè)，右側(cè)為對照側(cè)。每側(cè)術(shù)區(qū)最多制備3個孔，孔間距應(yīng)>8 mm，孔直徑為2 mm，穿透一側(cè)骨皮質(zhì)達骨髓腔。將充填好材料的膠管指壓插入相應(yīng)預(yù)制孔內(nèi)，逐層縫合肌筋膜、皮下組織及皮膚。

1.2.3指標(biāo)觀察方法

1.2.3.1大體觀察于手術(shù)后4、8、12周取材，肉眼觀察并記錄植入體周圍組織情況并與對照材料相應(yīng)區(qū)域比較。

1.2.3.2組織學(xué)觀察相應(yīng)時間切取包含植入體及其周圍組織的組織塊，3%甲醛液固定，脫鈣，常規(guī)系列乙醇脫水，石蠟包埋；垂直植入體長軸進行連續(xù)切片，HE染色。記錄以下反應(yīng)指標(biāo)：①纖維化/纖維性包裹及炎癥范圍；②組織形貌變化、變性；③從材料/組織界面處觀察炎癥細胞類型(如多核白細胞、淋巴細胞、漿細胞、嗜酸性粒細胞、巨噬細胞及多核細胞)、數(shù)量及距界面分布的距離；④組織壞死，如細胞核出現(xiàn)碎片和(或)血管壁破裂；⑤材料碎屑、脂肪浸潤、肉芽腫；⑥骨與材料接觸情況，界面有無非礦化組織存在，有無骨吸收及骨形成。

2結(jié)果

2.1大體觀察結(jié)果實驗動物術(shù)后活動正常，進食好，傷口一期愈合無傷口感染。4周取材大體標(biāo)本可見實驗側(cè)、對照側(cè)脛骨平臺鉆孔區(qū)附近組織無充血紅腫，無骨膜增厚，膠管與骨皮質(zhì)未結(jié)合，膠管內(nèi)有部分軟組織長入。術(shù)后8及12周兩個階段實驗側(cè)及對照側(cè)膠管與骨組織間可見明顯間隙，膠管外覆蓋纖維包膜，膠管內(nèi)容物完全由軟組織替代。

2.2組織學(xué)觀察結(jié)果術(shù)后4、8、12周所有觀察期各視野均未出現(xiàn)骨吸收、骨破壞。4周實驗側(cè)與對照側(cè)與骨組織界面清晰，對照側(cè)可見出血細胞(插頁Ⅱ圖3)，8周時實驗側(cè)有炎性反應(yīng)(插頁Ⅱ圖4)，12周時實驗側(cè)未見異常而對照側(cè)有白細胞(插頁Ⅱ圖5)。

3討論

體內(nèi)植入試驗是為了評價活體組織與試驗樣品材料的相互反應(yīng)，是評價生物材料生物相容性和安全性的重要體內(nèi)方法。所有醫(yī)療器械和材料植入體內(nèi)，均會不同程度地產(chǎn)生組織反應(yīng)。對局部組織的生物學(xué)反應(yīng)評價列出了系列指標(biāo)，目前，國內(nèi)常采用的肌肉或皮下局部組織生物學(xué)反應(yīng)評價是根據(jù)炎性細胞反應(yīng)和纖維形成進行組織反應(yīng)分級，然后再根據(jù)組織反應(yīng)分級情況進行結(jié)果評定。對于骨組織植入試驗，主要觀察組織與材料的接觸界面以及骨吸收和骨形成情況。

一般機體對植入物材料的短期反應(yīng)主要有修復(fù)反應(yīng)、炎性反應(yīng)和免疫刺激等。材料植入若主要誘發(fā)機體修復(fù)反應(yīng)，提示材料的生物相容性和安全性好，反之，若顯示炎癥、排斥甚至組織壞死，則認為材料的安全性需要提高。本實驗對照材料12周組織學(xué)觀察到白細胞提示該材料安全性還可以進一步完善。

實驗觀察周期的選擇參考ISO10993 《醫(yī)療器械生物學(xué)評價，第六部分：植入后局部反應(yīng)試驗》[6]和國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0127.4-1998醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)匯編(口腔材料卷)，第一個文件建議觀察期設(shè)為1～12周，第二個推薦4～26周。Kolambkar等[7]用大鼠股骨缺損為模型，利用固體支架連接兩端在缺損區(qū)注入海藻酸水凝膠復(fù)合 BMP-2及單純海藻酸材料，8周后即可進行最大扭矩等力學(xué)測試[7]。李平[8]、Priddy等[9]發(fā)現(xiàn)，12周時已經(jīng)可以對生物相容性做出判斷。基于上述研究者的工作，本實驗沒有選擇更長的觀察時間；但過短時間局部組織尚處于創(chuàng)傷修復(fù)期，觀察意義不大，因此，未選擇1～3周的觀察期。

本研究結(jié)果表明，增塑淀粉的骨組織相容性符合相應(yīng)的國家醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是，海藻酸鹽、增塑淀粉等材料不易塑形且在體內(nèi)容易遷散而不能用于恢復(fù)需要的骨缺損形態(tài)[10]。組織工程可將種子細胞、生長因子和測試材料三要素復(fù)合，因此，本材料還需要進一步完善才能在臨床使用。

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(收稿日期：2014-06-15)

中圖分類號：R318.08

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-266X(2015)04-0024-02

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.04.008

通信作者：田偉，E-mail: tianweia@163bj.com

基金項目：北京市自然科學(xué)基金重點項目(2061002)。