三种不同骨支架材料力学性能对比的研究
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[摘要] 目的：支架材料是骨组织工程研究的一个重点，骨支架材料除要求有良好的生物相容性、生物降解性、骨传导性、诱导性等外，还要有良好的力学性能。目前骨支架材料来源较广，对不同材料力学性能的研究很有必要。方法：通过物理、化学处理获得松质骨支架和目前常用的高分子材料进行材料力学性能测试。结果：几种不同密度松质骨支架弹性模量高于多孔聚乙烯，也高于复合材料，密度同样是0.44 g/cm3，松质骨支架是多孔聚乙烯支架的4倍；在3%大应变条件下人工复合材料没有发生材料屈服。结论：在小应变范围内四种材料都具有较好的弹性，在大应变条件下人工复合材料优于中、低密度的生物衍生松质骨。支架材料的使用应注意不同材料的力学性能，在临床中合理使用。
[关键词] 骨组织工程；支架材料；力学性能；弹性模量
[中图分类号] R318.08[文献标识码] B[文章编号] 1673-7210(2010)11(b)-116-02
支架材料是骨组织工程研究的一个重点。骨支架材料要求除良好的生物相容性、生物降解性、骨传导性、诱导性外，还需良好的力学性能[1]。支架材料植入体内，需要支架材料与相邻组织的力学性能相匹配[2]，因此对各种支架材料的力学性能需要应有足够的认识。尽管对松质骨力学性能的研究很多[3-4]，但很少有对不同支架材料的力学性能进行对比。本文对生物衍生松质骨、多孔聚乙烯、聚乳酸、聚羟基乙酸、磷酸三钙共聚物的力学性能作了对比研究。由于生物衍生骨已被广泛应用于骨缺损的临床治疗，研究中选择了四种不同密度的生物衍生松质骨作为样本。
1 材料与方法
1.1 试样的制备
参照第四军医大学等生物衍生松质骨(bio-derived cancellous bone, BDCB)的制作过程[5]：选用新鲜成年牛股骨端部，去除所附软组织、软骨组织及周边皮质骨量，制成10 mm×5 mm×5 mm的松质骨长方体骨块，长向沿承重方向。用50℃清水反复冲洗并清除骨髓(可用超声波清洗)，用蒸馏水浸洗12 h，恒温(37℃)烘干箱烘干；将骨块放入1∶1氯仿/甲醇溶液中浸泡、脱脂12 h(室温)，取出骨块用蒸馏水浸洗2 h后烘干；再放入37℃、30%的H2O2溶液中脱蛋白36 h，用蒸馏水于室温下浸泡透析12 h；取出骨块干燥后将骨块再次放入1∶1氯仿/甲醇溶液中浸泡、脱脂12 h(室温)，取出骨块用蒸馏水浸洗；然后用乙醇浸泡24 h，取出用蒸馏水冲洗、浸泡24 h，再烘干；60Co灭菌消毒，封存保留、待用。松质骨支架如图1。选择四种表观密度0.25、0.44、0.56、0.69 g/cm3的BDCB作为样品。高分子材料-多孔聚乙烯(porous polyethylene，PPE)，聚乙烯经过发泡获得的多孔、连通的聚乙烯支架，支架为10 mm×5 mm×5 mm的长方体，表观密度为0.44 g/cm3。复合材料-聚乳酸、聚羟基乙酸、磷酸三钙共聚物支架，支架为10 mm×10 mm×9 mm的长方体，表观密度为0.28 g/cm3(PLGA-TCP，由清华大学一次成型中心提供见图1。
1.2 样品压缩性能的检测方法
将样品纵向立于材料万能实验机(Instran)的加载平台上与加载平台垂直，上下面与加载平台平行。施加垂直压力，横梁移动速度为1 mm/min，应力-应变曲线直接给出。正常的生理应变范围为100～3 000 με[6-8]。按正常生理应变范围分别计算弹性模量。
2 结果
三种支架材料的应力-应变曲线见图2a。表观密度为0.25、0.44 g/cm3的BDCB在3%的应变范围内出现屈服。以表观密度0.44 g/cm3 BDCB的应力-应变曲线为例，随着应变增加，在很小应变范围内应力近似线性增加，接着非线性增加，并形成第一个波峰；达到5 000 με时应力达到极大值2.2 MPa，BDCB有部分骨小梁开始屈服，应力又有所下降后继续增加，形成持续时间更长的第二个波峰。应变在正常生理应变3 000 με范围内应力-应变曲线见图2b，三种材料支架的应力与应变关系从整体上看都近似线性关系。如果从小应力范围看(0～0.1 MPa)，应力-应变曲线见图2c，在0～500 με应变范围内应力与应变近似线性关系。
按不同应变范围分别给出弹性模量见表1。在三种支架材料中，不同密度BDCB支架的弹性模量都高于PLGA-TCP 和 PPE支架，密度同样是0.44 g/cm3，BDCB的弹性模量约是PPE支架的4倍；密度(0.25～0.28 g/cm3)相似，BDCB的弹性模量也远远高于PLGA-TCP。但超过骨正常生理应变范围后应变达到3%时，中等、低密度的BDCB都已发生了材料屈服，而人工复合材料没有发生。在应变范围内(0～3 000 με)，同一个样品多次重复实验，三种材料都具有较好的弹性，实验结果重复性好。
表1不同材料(样品种类和密度)按不同应变范围内的弹性模量(MPa)
f 代表样品发生了屈服
3 结论
对比三种支架材料的力学性能，天然衍生材料-生物衍生松质骨的弹性模量高于高分子材料-聚乙烯，也高于复合材料-聚乳酸、聚羟基乙酸、磷酸三钙共聚物。在大应变条件下人工复合材料没有发生材料屈服，这一点优于中、低密度的生物衍生松质骨。在支架的力学性能方面人工合成支架材料与天然材料存在差距，还需改进。另外按不同应变范围检测支架材料的弹性模量，这种更细致地研究材料力学性能方法可为支架材料植入体内与相邻组织的力学性能更好地匹配做准备，临床上合理使用支架材料。
[参考文献]
[1]李轶,冉炜,王改玲,等.新型骨组织工程支架材料生物相容性的体内研究[J].华西口腔医学杂志[J].2009,26(4):447-450.
[2]杨春蓉.骨组织工程支架研究现状及面临的问题[J].中国组织工程研究与临床康复.2009,13(8):1529-1532.
[3]于涛,孙长江,马洪顺 ......
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