研究背景
顱骨除了容納、支持和保護(hù)腦組織，在頭面部外形的塑造方面也承擔(dān)了一定的責(zé)任。在嚴(yán)重的顱腦外傷、腦出血、顱內(nèi)占位等情況下，需要緊急開顱手術(shù)緩解顱內(nèi)高壓，術(shù)后則會遺留顱骨缺損的問題，給患者的身心造成了嚴(yán)重的影響。顱骨成形術(shù)對顱骨缺損的修復(fù)和腦神經(jīng)功能的恢復(fù)都有重要的意義。但用于顱骨成形術(shù)的傳統(tǒng)生物材料都有著各自的優(yōu)缺點，至今沒有一個理想的解決方案，特別是傳統(tǒng)生物材料都不能降解的致命缺陷對于兒童顱骨缺損的修復(fù)尤其不利，因此設(shè)計制備一種具有成骨活性的生物可降解顱骨修復(fù)材料非常迫切。
顱骨修復(fù)與其它長骨修復(fù)有較大的差異，主要表現(xiàn)在以下三個方面。
首先，顱骨修復(fù)除了需要快速成骨，還需要足夠的力學(xué)支撐發(fā)揮保護(hù)作用，這就使得材料的孔隙率、孔徑和力學(xué)強度之間產(chǎn)生了很難平衡的矛盾。
其次，顱骨的發(fā)育是膜內(nèi)成骨作用的過程。在膜內(nèi)成骨的過程中，骨髓間充質(zhì)細(xì)胞在不形成軟骨的情況下就直接分化為成骨細(xì)胞，緊接著形成包括額骨、頂骨以及部分枕骨的一系列扁平骨。這樣一個相對復(fù)雜的成骨方式也決定了顱骨修復(fù)較其它長骨的修復(fù)更為困難。并且在顱腦外傷、腫瘤等原因造成的顱骨缺損中，硬腦膜常被損壞而缺損，對骨修復(fù)的過程更增加了困難。
再者，顱骨除了本身容納、保護(hù)腦組織的作用外，還兼具塑形美容的作用，且顱骨的形狀較復(fù)雜，個性化要求高，而傳統(tǒng)的的人工骨材料規(guī)格單一、不可定制。因此，研發(fā)一種新的人工骨材料滿足顱骨修復(fù)的特殊要求勢在必行。
方法與結(jié)果
該研究采用復(fù)合支架的形式，將仿生礦化膠原與可降解生物相容性高分子材料——聚己內(nèi)酯結(jié)合起來，采用溶劑造孔的方式，制備了一系列具有不同孔徑分布及孔隙率特征的可植入骨修復(fù)支架材料。采用大鼠顱骨臨界骨缺損動物模型對各組材料在體內(nèi)的生物相容性及成骨性能進(jìn)行評價，篩選出成骨性能*且力學(xué)強度可以接受的材料。
圖1 不同孔結(jié)構(gòu)特征支架sem形貌及孔徑統(tǒng)計分布
其中，重要的是評價環(huán)節(jié)為影像學(xué)評價，已確定各個實驗組之間在不同時間點的成骨情況差異。該研究中采取了micro-ct(inspexio smx-90ct plus, shimadzu，日本島津無損檢測)透視并掃描4%多聚甲醛固定24h后的樣本，掃描后經(jīng)三維等值畫圖軟件重建并進(jìn)行成骨體積分析測定。通過x線透視及ct掃描影像評估樣品植入前后的形狀、骨密度，并通過成骨體積的測量進(jìn)行定量分析。
圖2 島津micro-ct三維重構(gòu)結(jié)果
圖3 根據(jù)micro-ct結(jié)構(gòu)計算的相對成骨體積
術(shù)后各組大鼠典型的micro-ct掃描三維重建結(jié)果如圖2所示。術(shù)后4周，模型組大鼠僅有少量針狀骨結(jié)構(gòu)位于缺損區(qū)，g1、g2、g4組大鼠骨橋位于缺損邊緣，g3組大鼠骨橋部分通過缺損。術(shù)后8周，空白對照組大鼠缺損區(qū)中心有較多針狀骨結(jié)構(gòu)，邊緣存在骨橋結(jié)構(gòu)。g1、g2、g4組大鼠骨橋部分通過缺損，g3組大鼠骨橋通過缺損長點。術(shù)后12周，模型組大鼠骨橋部分通過缺損，而g1、g2、g3、g4各組大鼠骨橋均通過了缺損長點，而g3、g4組密度更接近于周圍的骨組織，尤其是g3組，95%以上區(qū)域已成骨，部分缺損邊界已顯示不清。
定量分析通過三維重建軟件測算出各組大鼠缺損部位的成骨體積，如圖3所示。各組大鼠成骨體積在4周，8周，12周時都與空白對照組有顯著性差異(p<0.05)，并且在各個時間點，g3組(pmc 1:10)礦化膠原基顱骨修復(fù)材料較g1、g2、g4組成骨體積更多，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(p<0.05)。
圖4 micro-ct重構(gòu)的矢狀位結(jié)果
術(shù)后各組大鼠micro-ct正中矢狀位影像如圖4所示。術(shù)后4周，空白對照組缺損區(qū)邊緣極少量點狀高密度影，各實驗組缺損區(qū)密度均勻增高，顱骨內(nèi)面靠近硬膜一側(cè)密度較對側(cè)增高更明顯。術(shù)后8周，空白對照組缺損區(qū)可見少量片狀密度增高影，各實驗組缺損區(qū)出現(xiàn)較大面積條狀或片狀密度增高影，且密度與周圍骨質(zhì)相近。術(shù)后12周，空白對照組可見條狀密度增高影，各實驗組缺損區(qū)域密度升高影面積較前明顯增加，尤其是g3、g4組，缺損區(qū)大部分已被高密度影占據(jù)，密度和周圍正常骨質(zhì)非常相似。
圖5 缺損區(qū)組織he染色
圖5所示為術(shù)后各組大鼠顱骨正中矢狀位石蠟切片he染色結(jié)果，新生成骨被染成密度均勻的粉紅色?？梢钥吹?周時，缺損區(qū)僅少量點狀成骨，各實驗組缺損區(qū)材料內(nèi)部可見較密集的斑片狀新生成骨。術(shù)后8周，對照組新生成骨較少，各實驗組新生成骨由斑片狀連接成長條狀，部分跨越缺損區(qū)，新生成骨位于顱骨內(nèi)側(cè)面硬膜外層。術(shù)后12周，對照組缺損區(qū)可見部分條狀新生成骨，各實驗組材料內(nèi)部和邊緣皆有新骨形成，可觀察到明顯的骨小梁結(jié)構(gòu)，尤其是g3組材料幾乎*降解，大部分被新生的自體骨結(jié)構(gòu)所替代，尤其是靠近硬膜一側(cè)，新生骨結(jié)構(gòu)已與周圍正常骨的結(jié)構(gòu)相同。
總結(jié)與討論
本部分研究采用大鼠顱骨臨界骨缺損動物模型評價了不同溶劑配比的礦化膠原顱骨修復(fù)材料在體內(nèi)的成骨性能。從影像學(xué)、組織學(xué)不同角度觀察了材料誘導(dǎo)骨長入的過程，并進(jìn)行了定量分析，篩選出成骨性能和力學(xué)強度達(dá)到*平衡的骨材料溶劑配比，既可以保證一定的力學(xué)強度，并且誘導(dǎo)成骨作用較好，為進(jìn)一步顱骨修復(fù)材料的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
文獻(xiàn)題目：《tuning pore features of mineralized collagen/pcl scaffolds for cranial bone regeneration in a rat model》
使用儀器：島津5smx-90ctplus-1909
第1作者：王碩
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