C/C-PDMS-CA复合材料用于人工小关节假体的实验研究

摘要

目的：测试C/C-PDMS-CA新型复合材料的力学性能和生物相容性情况，并进行动物体内实验，评价其作为人工小关节假体材料的可行性。
　　方法：1、C/C-PDMS-CA新型复合材料的制备及表征：采用溶剂冻干挥发法，将C/C材料浸于PDMS溶液中冰浴10h，取出并于55℃的电子烘干箱中烘干5h，制得C/C-PDMS复合材料。将C/C-PDMS复合材料于CA溶液中浸泡10h，用流动的双馏水冲洗三遍后，得到C/C-PDMS-CA复合材料。将C/C-PDMS-CA复合材料进行 X射线光电子能谱（XPS）检测，对材料表面的化学元素组成进行鉴定分析；使用扫描电子显微镜扫描，观察三种材料的表面情况，并在亲水角测量仪中测量三种材料的亲水角，以确定PDMS及PDMS-CA在C/C材料表面的修饰情况。
　　2、力学性能测试：将相同规格尺寸的 C/C材料、C/C-PDMS复合材料及C/C-PDMS-CA复合材料放置于电子万能试验机上，每组各10例，分别进行抗弯、抗压测试。另将三组放于摩擦磨损试验机中进行摩擦磨损测试，分析各组的力学性能。
　　3、生物相容性及抑菌性测试：将灭菌处理后的三组材料置于48孔板底部，加入0.2ml复苏后的小鼠胚胎成纤维细胞（3T3）进行细胞培养，于4h、24h两个时间段内观察每种材料表面的细胞数量及形态。另取三组材料于48孔板中，加入培育好的大肠杆菌进行培养，在3h、6h内观察大肠杆菌的数量及形态变化，分析各组材料的抑菌性能。
　　4、动物体内实验：将24只3月大、体重为1.5～2kg的新西兰大白兔随机分为4组，雌雄各半，设置为空白组、对照组、实验组1、实验组2。麻醉处理后，使用牙科钻在兔胫骨内侧髁关节面处沿胫骨长轴钻一直径为4mm、深10mm的孔洞。将灭菌后的柱状C/C材料、C/C-PDMS材料及C/C-PDMS-CA材料分别填充至对照组、实验组1和实验组2孔洞中，空白组不填充任何材料，逐层缝合，分笼饲养。在术后第3周、第6周及第9周分别检测各组假体的骨密度，并拍摄X线片及扫描CT，对CT影像进行三维建模后，观察各组假体与周围骨组织的的生长情况。第9周将实验动物处死，观察假体周围的骨溶解情况。
　　结果：1、C/C-PDMS-CA合材料的表征：XPS图谱显示，与C/C材料相比， C/C-PDMS材料及C/C-PDMS-CA材料表面的C元素含量减少、O及Si元素含量增加；扫描电镜显示C/C材料表面为簇状聚集的球形C颗粒，颗粒间的空隙较大，C/C-PDMS材料及C/C-PDMS-CA材料表面均呈现光滑、有线状规则条纹的纹理，无空隙产生。亲水角测试显示 C/C-PDMS材料的亲水角最大， C/C-PDMS-CA材料其次，C/C材料的亲水角最小。
　　2、力学性能测试：C/C-PDMS材料组与C/C-PDMS-CA材料组在抗弯性能、抗压性能及抗磨损性能方面无明显变化（p＞0.05），但均优于C/C材料组，差异具有统计学意义（p＜0.05）。
　　3、生物相容性试验：细胞贴附方面，在第4h、24h时各组材料表面的3T3细胞数量均逐渐增加，且 C/C-PDMS-CA材料组的细胞数量变化最为明显， C/C-PDMS材料组数量变化最小。同一时间点内，C/C-PDMS-CA材料组的细胞数量最多，细胞形状正常，呈现规则的梭形。其次为 C/C材料组，C/C-PDMS材料组的细胞数量最少，且细胞形状多为圆形、椭圆形。抑菌性方面，在第3h、6h时各组材料表面的大肠杆菌数量均逐渐增加，C/C材料组细菌数增加最为明显，其次为C/C-PDMS材料组，C/C-PDMS-CA材料组大肠杆菌数量变化最小。相同时间点内，C/C-PDMS-CA材料组大肠杆菌数量最少，且死亡率最高，明显优于其他两组（p＜0.05）。
　　4、动物体内实验：术后动物均自然苏醒，成活良好，饮食正常，创口均Ⅰ期愈合，无红肿及感染发生。X线及CT成像显示，空白组关节孔洞内壁光滑、洞口部分骨质吸收。对照组孔洞处有较多的骨小梁密集分布，实验组1骨小梁数量逐渐减少，孔洞增大。实验组2骨小梁呈网状密集分布于孔洞周围，孔洞较小。骨密度测试显示：实验组1骨密度最小，其次为空白组、对照组，实验组2骨密度最大。处死后取出股骨，可见空白组关节缺损孔洞仍有部分凹陷，但表面有部分软骨组织覆盖。对照组关节假体与周围骨组织结合紧密，无突出、松动，表面有软骨组织覆盖，但软骨组织被 C/C材料的黑色磨屑染为黑色。实验组1中关节假体表面无软骨组织覆盖，与周围骨组织分界明显。实验组2中关节假体表面被一层透明、光滑的关节软骨覆盖，表面无凹陷、假体无松动，与周围骨组织结合紧密。
　　结论：C/C-PDMS-CA材料具有较佳的力学性能、良好的生物相容性，体内生长情况良好，与周围组织无免疫排斥反应，无磨屑产生，可替代传统 C/C材料作为人工小关节假体的理想材质。

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缩略语

前言

研究现状、成果

研究目的、方法

一、C/C-PDMS-CA复合材料的制备及表征

1.1材料

1.2方法

1.3结果

1.4讨论

1.5小结

二、力学性能测试

2.1材料

2.2方法

2.3统计学分析

2.4结果

2.5讨论

2.6小结

三、体外实验

3.1材料

3.2方法

3.3统计学方法

3.4结果

3.5讨论

3.6小结

四、动物体内实验

4.1材料

4.2方法

4.3结果

4.4讨论

4.5小结

结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述: 人工小关节假体材料在关节置换术中的应用现状

致谢

个人简历