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(huì)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(duì)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(diǎn)，至今沒有一個(gè)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(duì)于兒童顱骨缺損的修復(fù)尤其不利，因此設(shè)計(jì)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(zhǎng)骨修復(fù)有較大的差異，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)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(qiáng)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(gè)相對(duì)復(fù)雜的成骨方式也決定了顱骨修復(fù)較其它長(zhǎng)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(duì)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(gè)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(shì)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(dòng)物模型對(duì)各組材料在體內(nèi)的生物相容性及成骨性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選出成骨性能*且力學(xué)強(qiáng)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(jì)分布
其中，重要的是評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)為影像學(xué)評(píng)價(jià)，已確定各個(gè)實(shí)驗(yàn)組之間在不同時(shí)間點(diǎn)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(cè))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(cè)定。通過x線透視及ct掃描影像評(píng)估樣品植入前后的形狀、骨密度，并通過成骨體積的測(cè)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(jì)算的相對(duì)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(duì)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(zhǎng)點(diǎn)。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(zhǎng)點(diǎn)，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(cè)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(shí)都與空白對(duì)照組有顯著性差異(p<0.05)，并且在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)，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(jì)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(duì)照組缺損區(qū)邊緣極少量點(diǎn)狀高密度影，各實(shí)驗(yàn)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(duì)側(cè)增高更明顯。術(shù)后8周，空白對(duì)照組缺損區(qū)可見少量片狀密度增高影，各實(shí)驗(yàn)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(duì)照組可見條狀密度增高影，各實(shí)驗(yàn)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(shí)，缺損區(qū)僅少量點(diǎn)狀成骨，各實(shí)驗(yàn)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(duì)照組新生成骨較少，各實(shí)驗(yàn)組新生成骨由斑片狀連接成長(zhǎng)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(duì)照組缺損區(qū)可見部分條狀新生成骨，各實(shí)驗(yàn)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(dòng)物模型評(píng)價(jià)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(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)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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