碳纳米管_羟基磷灰石复合材料兔胫骨生物相容性研究_赵冬梅 (1)
25卷3期2006年6月中 国 生 物 医 学 工 程 学 报Chinese Journal o f Biomedical Engineerin g Vol.25 No.3June 2006收稿日期:2005-11-20,修回日期:2006-04-27。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30170269)。
*通讯作者。
E -mail:dongmei zhao663@sohu.c om碳纳米管/羟基磷灰石复合材料兔胫骨生物相容性研究赵冬梅1*刘中浩1 武士清1 李爱民2 赵敬杰1 王 彭3 孙康宁21(山东大学第二医院骨科,济南 250033)2(山东大学材料科学与工程学院,济南 250061)3(北京协和医院中心实验室,北京 100005)摘 要:目的:探讨不同比例碳纳米管/羟基磷灰石纳米复合材料兔胫骨的生物相容性。
方法:将碳纳米管含量为2%和3%的碳纳米管/羟基磷灰石复合材料置入兔右侧胫骨的缺损处,在1周~12周分别进行x 线检查、组织学检查及分子生物学分析。
结果:不同碳纳米管含量的复合材料均能诱导成骨,无排斥反应。
X 线片、组织学检查、分子生物学检查均无明显差别。
结论:碳纳米管/羟基磷灰石材料有良好的骨相容性。
关键词:碳纳米管;羟基磷灰石;复合材料;胫骨;生物相容性Biocompatibility of C arbon Nanotubes P Hydroxyapitite Composite with Tibia of RabbitZ HAO Dong -Mei1*LIU Zhong -Hao 1 WU Sh-i Qing 1 LI A-i Min 2 Z HAO Jing -Jie 1 WANG Pe ng 3 SUN Kang -Ning21(De pa rtmen t o f O rtho pe dics ,Th e Secon d Hospital o f Shan don g Un ive rsity ,Jina n 250033)2(Shool o f Ma te ria l Scie nce an d En gine erin g ,Sh an dong U ni versit y ,Jin an 250061)3(Pekin g Un ion Medic al Colleg e Hospital ,Be ijin g 100005)Abstract :Objective :To study the biocompatibility of carbon nanotubes P hydroxyapitite c omposite (CN Ts P HAP).M ethods :X -ray,histology observation and molecular biology were ca rried out for 1~12weeks after CNTs P HAP was implanted into the right tibia of rabbit.Resu lt :The composites c ould induce ossification without rejection.There was no t significant difference between the co mposites.Con clusion :CNTs P HAP have acc eptable bioc ompa t ibility.Key words :ca rbon nanotubes;hydroxyapatite;c omposi te;t ibia;bioc ompatibility中图分类号 R318 文献标识码 A 文章编号0258-8021(2006)03-0342-04引言羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAP),作为修复骨缺损的常用材料,存在强度低、韧性差的缺点,限制了其在骨外科领域的广泛应用。
碳纳米管具有优异的力学和电学性能,已被用来增强各种材料,包括高分子材料、金属材料和陶瓷材料[1-3]。
本研究分析认为,将碳纳米管与羟基磷灰石复合,有可能发挥碳纳米管在力学性能方面的优势,同时可使复合材料具有良好的生物相容性。
本研究将碳纳米管/羟基磷灰石复合材料(Carbon Nanotubes P Hydroxyapitite,C NTs P HAP)植入兔胫骨内,通过行X 线片检查、组织学观察以及分子生物学检测,评价了该复合材料的生物相容性,为其应用于临床修复骨缺损提供实验依据。
1 材料与方法111 材料本实验中所使用的CNTs/HAP 由山东大学材料科学与工程学院制备,其成分比例、制备方法、理化特性见表1。
复合材料用高压灭菌。
健康雄性新西兰大白兔30只,体重215kg ?100kg,月龄2月,由山东大学动物实验中心提供。
表1实验中所用C NTs P HA P的组成和力学性能样品编号复合材料中碳纳米管含量P wt%烧结温度Pe保温时间Ph气氛弯曲强度PMPa断裂韧性PMPa#m1P21311002真空6611121401 2211003氩气6418501746112动物模型的建立以氯胺酮(35mg/kg)腹腔注射麻醉,双后肢常规脱毛,消毒铺巾,显露双侧胫骨上段,以直径4mm骨钻钻孔,保留对侧骨皮质,造成015cm@ 015cm大小的圆形骨洞,两洞间距2cm,将严格消毒后的圆柱状的复合材料分别置入双侧胫骨骨洞处,使端端紧密嵌合。
术后每只兔每日给予青霉素20万单位肌肉注射预防感染,连续2d。
2观察指标211X线检查分别于术后3周、5周、7周、9周、12周摄双后肢正侧位X线片,观察复合材料和骨组织的界面情况。
212组织学检查分别于术后1周、3周、5周、7周、9周、12周断头处死动物,取材,常规10%福尔马林液固定,脱钙,石蜡包埋,连续切片,HE染色,光镜下观察。
213分子生物学分析将所得到的动物样品应用R T-PC R的方法对其进行评价。
选择血管内皮生长因子(VEGF)为分析对象,合成特定的引物与内参照物,提取所得组织的总RNA,然后利用标准试剂盒对所得RNA进行逆转录。
利用逆转录PCR技术和设定的两对引物,分别得到VEGF153bp和L19200bp的产物,同时测定各样本,为了准确反映VE GF的表达程序,应用VEGF与L19表达的比值来去除混杂因素,PCR 的阳性结果以肉眼能见其电泳扩增为判断标准。
3结果311X线检查结果术后前3周,复合材料与骨组织之间界面清晰,第5周结合较为紧密,界面模糊。
第7周材料周围可见骨痂形成。
第9周可见大量骨痂形成。
第12周复合材料与骨组织之间界面消失,完全被硬骨痂覆盖。
未见骨组织吸收、坏死。
312组织学检查结果图1是复合材料植入后不同时间内的组织学检测结果。
由图可见,术后3周,材料周围有肉芽组织形成,间质疏松水肿,有异物巨细胞存在,血管充血扩张,但仍有不少炎性细胞。
术后5周,有成纤维细胞分布,并可见有大量纤维组织包绕植入物,炎细胞数量减少,炎症反应减弱,并有纤维母细胞生成。
术后12周,材料周围可见晚期骨痂,材料界面上少有细胞存在,大部分区域与类骨质直接接触。
周围界限不清,靠近新生骨部分可见哈佛氏系统。
313RT-PCR结果目的基因与L19都为1条条带,且条带比较明亮。
用数字图像分析系统进行灰度扫描,发现不同时间所取的各样品VEGF mRNA与L19mRNA的含量在复合材料植入后3周内表达水平较高,而从3周之后开始则缓慢下降,至12周时样品中的VEGF 表达水平已很低。
见图2。
4讨论骨科植入物的表面经常会被成纤维细胞所形成的纤维组织所包裹,造成伤处不愈合和移植物的松脱。
所以对骨组织而言,使用碳纳米管含量较高的复合材料,能促进组织再生,同时也能显著地抑制对植入设备产生不利影响的胶质瘢痕和纤维组织的形成[4]。
本研究对兔骨组织的定期X光照片和病理学检查研究结果表明,复合材料与骨组织的界面结合良好,植入5周后,材料与界面之间的空隙已很小,9周时已形成硬骨痂,12周后材料与界面之间已基本没有空隙,而是被大量硬骨痂覆盖,没有引起骨组织的变性及坏死。
上述结果说明,这种复合材料具有良好的生物相容性。
此外, Lewandrowski等[5]用纳米羟基磷灰石和小颗粒羟基磷灰石材料修复鼠胫骨缺损时,也发现术后3周时,纳米羟基磷灰石材料的生物相容性和骨融合情况较其它实验组好,骨形成更明显。
分析认为,材料的纳米结构特征可能在一定程度上改善了材料自身与骨组织之间的生物相容性,更合理地为骨细胞生长提供传导通道,促使骨生长加速。
术后12周时,材料周围界限不清,未见明显的骨坏死,表明不同比例材料均能引起骨愈合,生物相容性好。
分子生物学结果显示,在材料植入的不同阶段,其周围骨组织中VEGF基因表达的程度不同,在3周以前,由于伴随着材料对种植部位的刺激,种植部3433期赵冬梅等:碳纳米管/羟基磷灰石复合材料兔胫骨生物相容性研究图1复合材料植入兔胫骨术后组织学检查结果:其中(a)、(c)、(e)分别为1号材料植入后第三周、第五周和第十二周的组织学检查结果;(b)、(d)、(f)分别为2号材料第三周、第五周和第十二周的组织学检查结果图2材料植入兔胫骨术后RT-PC R结果,其中两位数的前一位代表材料编号,后一位代表术后周数位的局部出血,炎细胞反应、肉芽组织的产生等过程,使种植部位血供相对减少,氧分压降低,低氧强烈诱导VEGF的产生。
其后期表达水平较低,主要是因为随着新生血管的不断增多,损伤部位的低氧状况逐步得到改善,细胞分泌的VE GF量逐渐减少,成骨细胞的后期表达也趋于稳定。
不同碳纳米管含量的复合材料在1周、3周时的表达水平相差不大,而在第5周时,材料的表达水平开始下降,至第12周时,已基本无VEGF表达,这表明复合材料植入骨中之后都没有去除VEGF,而是刺激VEGF的产生,这一点对组织的修复是有利的,从另一方面显示出该复合材料具有良好的生物相容性,这一结果与组织学观察的结果也相一致。
参考文献[1]Bhattacharyya AR,Sreekumar TV,Liu T,et al.Crystallizationand orientation studies i n polypropylene P single wall carbon nano-tubecompos ite[J].Polymer,2003,44:2373-2377.344中国生物医学工程学报25卷[2]Chen WX,Tu J P,Wang LY,et al.Tribol ogical application ofcarbon nanotubes in a meta-l based composi te coating and composi tes[J].Carbon,2003,41:215-222.[3]Ning JW,Zhang JJ,Pan YB,et al.Fabrication and mechanicalproperti es of SiO2matri x composites reinforced by carbon nanotube[J].Mater Sci Eng,2003,A357:392-396.[4]许海燕.纳米生物医学研究的进展与发展趋势[J].中国生物医学工程学报,2005,24(6):644-648.[5]Lewandro wski K U,Bondre SP,Wise D L,et al.Enhancedbioacti vity of a poly(propylene fumarate)bone graf t subs titute byaugmentati on with nano-hydroxyapati te[J].Biomed Mater Eng,2003,13(2):115-124.(上接第341页)参考文献[1]Nii mi H.切变流动中红细胞膜上的交变载荷:溶血的潜在原因[J].生物医学工程国外分册,1986,9(4):291-296.[2]M i toh A,Yano T,Sekine K,et putati onal fl uid dynamicsanalysis of an i ntra-cardiac axial fl ow pump[J].Arti ficial Organs,2003,27(1):34-40.[3]Song Xinwei,Throckmorton AL,Wood HG,e t putati onalfluid dynamics prediction of blood damage in a centri fugal pump[J].Artificial Organs,2003,27(10):938-941.[4]Yano T,Sekine K,Mitoh A,et al.An es ti mation method ofhe molysis withi n an axial flow blood pump by computati onal fluiddynamics analysis[J].Arti ficial Organs,2003,27(10):920-925.[5]Bluds zuweit C.Model for a general mechanical blood da mageprediction[J].Artificial Organs,1995,19(7):583-589. [6]Giersiepen M,Wurz inger LJ,Opitz R,et al.Es ti mation of s hearstres-s related bl ood damage in heart valve prostheses_in vitrocomparison of25aortic valves[J].Artifici al Organs,1990,5(13):300-306.[7]Yeles warapu K K,Antaki JG,Kameneva MB,e t al.Amathematical model for shear_induced hemolysis[J].Arti ficialOrgans,1995,19(7):576-582.[8]钱坤喜.流线型设计在人工心脏的应用[J].北京生物医学工程,1990:9(3):159-163.[9]陶文铨,编著.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001,330-412.[10]Patankar SV.Numerical heat trans fer and fluid fl ow[M].McGraw_Hill,1980.130-157.3453期赵冬梅等:碳纳米管/羟基磷灰石复合材料兔胫骨生物相容性研究。
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抗生素缓释系统在骨科的应用
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骨科新型医用可降解植入材料JDBM镁合金的生物毒性、髓内针及植入物感染细菌生物膜的基础研究
骨科新型医用可降解植入材料JDBM镁合金的生物毒性、髓内针及植入物感染细菌生物膜的基础研究一、概述随着医疗技术的不断进步,骨科植入材料在修复和重建人体骨骼系统方面发挥着日益重要的作用。
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本文旨在深入探讨JDBM镁合金在骨科应用中的生物毒性、髓内针及植入物感染细菌生物膜的基础研究,为其在临床中的安全有效应用提供理论依据。
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负载骨髓干细胞来源外泌体负载骨髓干细胞来源外泌体的3D水凝胶通过调节免疫促进损伤软骨的修复
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方法首先利用超速离心法分离提取出骨髓干细胞上清液中的外泌体,并通过外泌体透射电镜、粒径分析以及Western blot 检测外泌体表面marker 。
【国家自然科学基金】_聚合反应_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
分散共聚 共聚物 催化 乳液聚合 三氟化硼乙醚 n-异丙基丙烯酰胺 黏性 黄度 黄原胶 高温高压 高固含量 高吸水性树脂 高压 高分辨核磁共振 高分子化学 马来酸酐 非水相酶催化 非干性生物质油 雌酮 阻燃 阻化 阳离子高分子分散剂 阳离子聚电解质 阳离子聚丙烯酰胺(cpam) 阳离子聚丙烯酰胺 阳离子型金属有机化合物 阳极失活 镍络合物 钯复配催化剂 钠硼硅玻璃 酶促开环聚合 酯交换 酚醛树脂 配合物 配位聚合 选择性 远程氩等离子体 过氧自由基 辛酸镁 载体催化剂 转变机理 超枝状大分子 超临界二氧化碳 表面改性 表面引发聚合 表面raft聚合 表观黏度 蛋白质检测 蒙脱土 苯丙乳液 芴酮 芳氧基稀土化合物 自缩合乙烯基聚合反应(scvp) 膜形貌
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2010年全国优秀博士学位论文提名论文名单
李晔
东北师范大学
2010087
非线性偏微分方程的渐近极限
张国敬
张凯军
东北师范大学
2010088
锂离子电池及其电极材料的研究
谢海明
王荣顺
东北师范大学
2010089
两种果蝠对植物种子的传播及行为学研究
唐占辉
盛连喜
东北师范大学
2010090
福柯微观权力思想研究--兼论马克思哲学的微观视域
赵福生
衣俊卿
简水生
北京交通大学
2010019
高速列车受电弓滑板用Ti3SiC2系材料的制备与性能研究
黄振莺
翟洪祥
北京交通大学
2010020
SiC纳米线力学性能原位电子显微学研究
张跃飞
张泽
北京工业大学
2010021
功能梯度材料结构中的波动特性及其检测方法研究
禹建功
吴斌
北京工业大学
2010022
形变碳纳米管的结构及晶格振动特性研究
Perelman的泛函在Ricci流中一些新的应用
张振雷
方复全
南开大学
2010062
高性能铌酸锂晶体与光电器件产品化的关键技术研究
孙军
许京军
南开大学
2010063
两亲性树枝状嵌段共聚物的合成及其超分子自组装研究
杨淼
王维
南开大学
2010064
头孢噻肟钠结晶技术研究
张海涛
王静康
天津大学
2010065
流动的土地--明清以来黄河小北干流区域社会研究
郁惠蕾
许建和
华东理工大学
2010122
新型环糊精分子梭的合成及性能研究
马骧
计算机辅助设计纳米羟基磷灰石/聚氨酯复合骨植入物的个性化快速制造
生物医学工程研究JournalofBiomedicalEngineeringResearch2013,32(4):224~227河北省高校重点学科建设项目;河北省科技支撑项目(13271302D);石家庄市科技局科技支撑项目(131460253A)△通信作者 Email:fengjuanxiao@stdu.edu.cn计算机辅助设计纳米羟基磷灰石/聚氨酯复合骨植入物的个性化快速制造冯菲菲1,肖凤娟1△,李兰兰1,李晓东2,吴杰2(1.石家庄铁道大学材料科学与工程学院,河北石家庄050043;2.河北普世达医疗器械有限公司,河北石家庄050043)摘要:采用原位复合法,以纳米羟基磷灰石为增强体,以聚氨酯预聚体为基体,制备了快速成型所需的HA/PU基质复合材料,采集个体股骨近端骨缺损部位的CT影像数据,利用计算机辅助医学影像Mimics软件进行三维重建,直接得到股骨近端的三维模型,再将三维模型信息转换成快速成型的“STL”数据文件,以此直接驱动三维打印机制造出ABS实体模型,然后经硅胶模具和浇注成型手段,将HA/PU复合预聚体基质浇注到硅胶模具中,进行固化成型,得到符合个性化需求的HA/PU股骨近端植入体。
为克服批量生产植入体型号、尺寸与个体需求不匹配的弊端,制造高附加值人工骨产品提供实验基础和技术支持。
关键词:计算机辅助设计;骨植入体;三维模型重建;快速成型;羟基磷灰石/聚氨酯复合材料中图分类号:R318;O63 文献标识码:A 文章编号:16726278(2013)04022404RapidManufacturingofIndividualizedBoneImplantUsingNano-hydroxyapatite/Polyurethane(HA/PU)CompositeFENGFeifei1,XIAOFengjuan,LILanan1,LIXiaodong2,WUJie2(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,HebeiProvince,China;2.HebeiPushidaMedicalInstrumentCO.,LTD,Shijiazhuang050061)Abstract:HA/PUcompositesweresynthesizedbyin-situpolymerizationwithnano-hydroxyapatiteasreinforcementandpolyurethaneprepolymerasmatrix.BasedonCTdata,thethree-dimensionalmodelofproximalfemurwasreconstructeddirectlybyMimicssoftware.The3-DmodelwasthenconvertedtoSTLformatfilewhichwasinputtedto3-DprintingmachinetomanufacturetheentitymodelusingABSmaterialassubstratematerial.TheindividualizedproximalfemurimplantofHA/PUmaterialwasproducedbypouringtheHA/PUprepolymermatrixintothesiliconmoldthathadbeenpreviouslypreparedbysiliconerubbermoldmakingtechnology.Weintroduceanoveltechnologytoovercometheaforementioneddisadvantageofimplantsmismatchingtoindividualneedsinvolumeproductionandprovidetechnicalsupportformanufacturinghighvalue-addedartificialbone.Keywords:Computer-aideddesign;Boneimplant;Three-dimensionalmodelreconstruction;Rapidprototyping;Hydroxyapatite/polyurethanecomposite1 引 言现有批量生产的骨植入体,其型号、尺寸与患者缺损部位的实际状态不匹配,无法满足个体化需求,导致术后磨损、松动、手术失败和二次手术等问题。
