新型誘導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(北京積水潭醫院，北京0005；北京市創傷骨科研究所；北京市第六醫院)

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·基礎研究·

新型誘導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北京積水潭醫院，北京100035；2北京市創傷骨科研究所；3北京市第六醫院)

摘要：目的評估新型誘導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周三個階段手術區骨組織相容性。結果所有觀察期雙側手術區肉眼觀察未見充血紅腫及骨膜增厚，組織學觀察未出現骨吸收及骨破壞。結論增塑淀粉的骨組織相容性較好。

關鍵詞：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用在藥物和組織工程等醫療領域，如藥物緩控釋系統的骨架結構[1]和凝膠狀組織工程載體或支架材料[2，3]，但其凝膠在生理環境中容易溶解而失去凝膠特性，此過程難以控制和預測；同時，因其具有較強的親水性故對蛋白質吸附較差，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研發的彈性體生物材料，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，通過加入骨誘導因子，易成為具有止血及誘導成骨雙重作用的組織工程材料[5]。骨埋植試驗，是體內試驗的一種，即將材料通過外科手術植入到動物的骨組織中，一定時期后通過光學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脛骨平臺。

1.2方法

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

1.2.2手術方法采用自身左右對照方式，一側埋置實驗材料，另一側為對照材料。全身麻醉后于股骨外側、脛骨內側備皮，用濃度為25 g/L的碘酒及75%(V/V)乙醇對術區消毒，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上鉆孔，同時用生理鹽水冷卻。左側脛骨為實驗側，右側為對照側。每側術區最多制備3個孔，孔間距應>8 mm，孔直徑為2 mm，穿透一側骨皮質達骨髓腔。將充填好材料的膠管指壓插入相應預制孔內，逐層縫合肌筋膜、皮下組織及皮膚。

1.2.3指標觀察方法

1.2.3.1大體觀察于手術后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區域比較。

1.2.3.2組織學觀察相應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，常規系列乙醇脫水，石蠟包埋；垂直植入體長軸進行連續切片，HE染色。記錄以下反應指標：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)、數量及距界面分布的距離；④組織壞死，如細胞核出現碎片和(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結果

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

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

3討論

體內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，是評價生物材料生物相容性和安全性的重要體內方法。所有醫療器械和材料植入體內，均會不同程度地產生組織反應。對局部組織的生物學反應評價列出了系列指標，目前，國內常采用的肌肉或皮下局部組織生物學反應評價是根據炎性細胞反應和纖維形成進行組織反應分級，然后再根據組織反應分級情況進行結果評定。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主要有修復反應、炎性反應和免疫刺激等。材料植入若主要誘發機體修復反應，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 《醫療器械生物學評價，第六部分：植入后局部反應試驗》[6]和國家行業標準YY/T 0127.4-1998醫療器械標準匯編(口腔材料卷)，第一個文件建議觀察期設為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注入海藻酸水凝膠復合 BMP-2及單純海藻酸材料，8周后即可進行最大扭矩等力學測試[7]。李平[8]、Priddy等[9]發現，12周時已經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傷修復期，觀察意義不大，因此，未選擇1～3周的觀察期。

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

參考文獻：

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[9] Priddy LB, Chaudhuri O, Stevens HY， et al. Oxidized alginate hydrogels for bone morphogenetic protein-2 delivery in long bone defects[J]. Acta Biomater, 2014,10(10):4390-4399.

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(收稿日期：2014-06-15)

中圖分類號：R318.08

文獻標志碼：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：北京市自然科學基金重點項目(2061002)。