_磷酸三钙多孔生物陶瓷植入体内后的组成变化

_磷酸三钙多孔生物陶瓷植入体内后的组成变化 第 32 卷第 7 期 Vol . 32 , No . 7 硅 酸 盐 学 报 2 0 0 4 年 7 月 J u l y , 2 0 0 4 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY β 磷酸三钙多孔生物陶瓷植入体内后的组成变化 戴红莲, 李世普 , 闫玉华 , 李小溪 , 沈春华 () 武汉理工大学 , 生物材料与工程研究中心 , 武汉 430070 摘 要 : 采用电子探针结合 X 射线能谱对多孔磷酸三钙陶瓷人工骨植入骨内后 ,材料/ 新骨界面 、新骨的组成进行了检测 。比较植入人工骨后不 同阶段材料以及界面元素组成的变化 ,材料植入后骨缺损区新骨生成的情况 。结果显示 :随着植入时间的延长 ,新骨组织中碳元素含量不断降低 , 钙和磷元素的含量则逐渐升高 。同时 ,新骨组织中的钙磷比保持在一个较高的水平上 ,没有太大的变化 。新骨从材料周围不断向材料内部渗入 , β 材料被分散 、降解 ,两者的组成成分趋于一致 ,最终材料被新骨所取代 。骨内植入 磷酸三钙多孔陶瓷后不仅材料本身己部分溶解和降解 ,而且 在植入陶瓷的表面和孔隙中以及界面处均己生成新生骨组织 ,这说明植入无生命的钙磷无机材料后的降解产物参与构成有生命的新生骨组织 。 关键词 : 多孔磷酸三钙 ; 电子探针 ; 体内植入 ; 组成变化 () 文章编号 : 0454 5648 200407 800 08 中图分类号 : R318 . 08 文献标识码 : A β COMPOSITIO N C HANGES OF TRICAL CIUM PHOSPHATE PO RO US BIOCERAMICS AFTER IMPL ANTATIO N IN VIVO DAI Honglian , L I S hipu , YAN Yuhua , L I Xiaoxi , S HEN Chunhua ()Biomedical Materials and Engineering Research Center , Wuhan University of Technology , Wuhan 430070 , China Abstract : Compositions of materials/ new bone interface and new bone were investigated by electron probe and X2ray energy spectrum after porous calcium phosphate artificial bone were implanted in the tibia of rabbits. Element changes of the interface , the changes of implanted ma2 terials at different stages after implantation and formation of new bone were observed. Results show that the content of carbon element decreases gradually in new bone tissue , while contents of calcium and phosphor elements increase with implantation time . Meanwhile there are no much differences in the calcium phosphor ratio in the new bone and it keeps at a higher level . The new bone grows from outside into inside of the materials ,which is dispersed and degraded. The composition of the materials and the new bone tend to consentience . Eventually the materials β are replaced by the new bone . After implantation , the new bone formed on the surface , holes and the interface oftricalcium phosphate porous bioceramics , besides being dissolved and degraded partially of the materials by themselves. It indicates that degradation products of no life calcium phosphate inorganic materials take part in the formation of the new bone tissue . Key words : porous calcium phosphate ; electron probe ; in vivo ; composition change β β β ( ) β TCP 生物陶瓷巨大的比表面积可促进材料在体 磷酸三钙陶瓷 [ CaPO, TCP 因 3 4 2 与人体骨骼无机成分相似 ,生物学相容性好 ,易生物 ,材料的微孔结构也有利于骨组织 内的降解 。同时 降解吸收 ,无毒副作用等优良性能 ,在近代生物医学 的长入 ,对材料的早期固定和骨缺损修复提供了有 β 益的物理结构 。李世普等对多孔 TCP 生物陶瓷 工程学领域一直受到人们的密切关注 ,被视为优良 1 ,4 5 ,8 的生物降解材料。大量的研究表明 :多孔型 的制备工艺 、理化性能 、生物相容性 、生物降解性以 Received date : 2003 10 08 . Approved date : 2004 01 05 . 收稿日期 : 2003 10 08 。修改稿收到日期 : 2004 01 05 。 ( ) ) (基金项目 “: 973”国家重点基础研究发展 G1999064701资助项 Biogra phy : DAI Honglian 1970 —, female , postgraduate student for doc2 tor degree , associate professor . 目 。 () E ma il : daihonglian @mail . whut . edu. cn 作者简介 : 戴红莲 1970 ,, 女 , 博士研究生 , 副教授 。 及临床应用进行了系统研究 ,并对材料的骨生成和 ,材料与骨分界明显 ,材料的成分并没有太大的变 后 9 ,13 生物降解机制进行了初步探讨。为了进一步 () 化 见 图 1。EPMA 的 点 分 析 和 面 扫 描 发 现 界 面 由 β 揭示骨移植替代材料 TCP 生物陶瓷的骨生成和 Ca ,P ,Na ,Mg ,O 等元素组成 。与此同时 ,材料中的钙 β ,采用电子探针对 TCP 生物陶瓷 生物降解机制 () 磷比仍保持在 1 . 5 左右 为 1 . 52。从图 1 中可以发 骨内植入后的陶瓷 、陶瓷与兔股骨界面以及兔股骨 现 :材料中 Ca ,P 元素的含量相对较高 ,而骨组织中 的超微结构和界面矿物的化学组成进行了系统地研 Ca ,P 的含量相对较低 。在材料内部还没有观察到 究 。 C ,S 等生命元素的出现 ,这表明在生物材料植入的 初期 ,纤维组织还没长入材料中 。同时 ,在材料与骨 1 材料与 组织的交界处可以观察到 :在陶瓷表面的大孔中 ,有 与骨相类似的物质出现 。点表明 : 材料中大部 1. 1 材料制备与性能 β 以高纯超微 TCP 粉为原料 , 加入以 CaO 和 PO为主要成分的高温玻璃粘接剂 , 采用发泡法成 25 β 型 ,经 850 ?保温 2 h 得到 TCP 多孔陶瓷 。材料 - 3 体积密度为 1 . 2 gc?m ,气孔率为 50 % ,孔径为 240 μ,510m ,抗压强度为 15 MPa 。材料内部大孔与微 β孔连通 , 颗 粒 间 为 颈 部 连 接 。材 料 的 主 晶 相 为 ( ) CaPO, 还存在少量其他磷酸钙晶相与非晶相 。 3 42 β 将多孔 TCP 材料制成 < 5 mm ×8 mm 的圆柱试 样 ,经超声波清洗 ,高压蒸汽消毒后备用 。 1. 2 植入实验 (健康新西兰大耳白兔 32 只 湖北省动物实验中 ) 心提供,每只质量 2 . 2,2 . 5 kg ,雌雄不限 。随机分 β 成 2 组 :一组植入 TCP 多孔陶瓷 ; 另一组为对照 组 ,不植入陶瓷材料 。实验时 ,将 2 . 5 %戊巴比妥钠 , - 1 按 30 mg?kg 静 脉 麻 醉 , 腹 卧 位 固 定 在 手 术 台 上 。 无菌条件下 ,在兔股骨髁部弧形切开皮肤 、皮下和骨 膜 ,向后翻起皮肤及骨膜瓣 ,显露双侧股骨髁间 ,在 β 髁间凹钻 < 5 mm ×8 mm 骨腔洞 。将多孔 TCP陶 瓷圆柱体植入骨腔洞内 ,实验组左右侧各一枚 ,使圆 柱体低于骨质表面 ,复位皮肤及骨膜组织瓣 。生理 盐水冲洗伤口后 ,间断分层缝合骨膜 、皮肤 。对照组 不植入材料缝合伤口 。两组动物分笼喂养 。植入后 各组 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 月及 10 月时各处死 2 只动 物 。将植 入 材 料 及 周 围 骨 组 织 完 整 取 出 , 分 别 用 10 % 福尔马林固定 ,液氮淬冷 。用冰冻干燥法切片 从植入材料中心剖面制成标本 ,用乙醇清洗 ,无水乙 醇脱水固定后 ,真空干燥 。用日本 J CXA 33 型电子 探针 X 射线显微分析仪对标本表面进行观察及扫描 分析 。 图 1 材料植入 1 月后的界面扫描与 Ca ,P 面分析 Fig. 1 Interface scanning and Ca , P surface scanning analysis of 2 结果与讨论 materials after implantation for 1 month β 多孔 TCP 生 物 陶 瓷 在 植 入 动 物 体 内 1 月 分为 Ca ,P ,Na ,Mg ,O 等元素 ,还含有 C 元素 ,这表明 1 . 64 ,与骨组织的钙磷比较接近 ,约为1 . 72 ,两者 了 生命体内的有机物开始进入材料 ,并调控部分钙磷 的组织成分趋于一致 。与此同时 ,材料内部发现了 离子在生物陶瓷表面沉积 。 孤岛状的骨组织结构 ,这些是新生成的骨组织 ,它不 2 月的实验结果显示 : 骨组织开始向材料内部 仅标志在此位置上的材料已完全降解 ,而且表明材 延伸 ,材料与骨开始互相交织 ,材料与骨组织之间不 料为新骨的生成提供了良好的环境 ,促进了骨生长 , 再有清晰和规则的交界线 ,但材料仍然保持大片的 具有良好的骨传导性 。 ( ) 规整区域 见图 2。点分析发现 : 在材料的组分中 已经开始出现 C 和 S 等生命元素 ,但其含量相对于 骨组织还比较低 。同时 ,材料的钙磷比略有上升 ,达 () 到了 1 . 56 ,与骨组织的钙磷比 1 . 68还有一定的差 距 。但是 ,骨组织中的 C ,P 含量开始增加 ,两者的组 织成分开始接近 。 图 2 材料植入 2 月后的界面扫描与 Ca , P ,C , S 线扫描分 析 Fig. 2 Interface scanning and Ca , P , C , S line scanning analy2 sis after implantation for 2 months 4 月的实验发现 : 材料开始被骨组织所分散 ,两 ( ) 者呈互相交错包围的态势 见图 3。S 元素在材料 与骨组织中的分布比较接近 ,而材料中较高的 Ca , P 含量表明材料与骨组织的不同 。通过对比材料与骨 图 3 材料植入 4 月后的界面扫描与 Ca ,P ,C 面分析 组织的点分析可以发现 : 材料中 C 元素的含量明显 Fig. 3 Interface scanning and Ca , P , C surface scanning analy2 提高 ,达到了 37 % 。材料的钙磷比进一步提高 ,达到 sis of materials after implantation for 4 months 6 月的实验结果显示材料进一步被骨组织所分 散 。对骨组织的点分析表明 : 骨组织中 C 元素的含 量开始减少 , Ca , P 含量大幅度提高 , 这表明新骨组 ( ) 织开始向成熟骨转化 见图 4。对材料的点分析表 明 :材料中的 C 含量继续上升 ,达到 21 . 51 % ,而且材 料的钙磷比也增加到了 1 . 64 。材料与骨组织的组成 成分越来越接近 。通过面扫描发现越来越多的孤岛 状新骨结构出现在多孔生物陶瓷材料中 ,材料面临 着被新骨组织崩解的局面 。 图 4 材料植入 6 个月后的界面扫描与 Ca ,P ,C ,S 面分析 Fig. 4 Interface scanning and Ca ,P ,C ,S surface scanning anal2 ysis of materials after implantation for 6 months 对比 8 月电子探针面扫描和组织学切片结果可以发 现 :骨组织已经长入到材料内部 ,材料被骨组织分散 包围 。原来大片规整的材料区域已经消失 ,只有材 料解体后所产生的小块材料体分散在新生成的骨组 () 织中 见图 5。对骨组织的点分析表明 : 骨组织中 的 C 元素含量保持在较低水平 ,Ca 和 P 含量有较大 提高 。以上 表 明 : 新 骨 形 成 后 , 通 过 不 断 的 骨 盐 沉 积 ,增加其无机质含量 ,逐步向成熟骨转化 。对材料 的点分析证明 : 材料的 Ca , P 含量逐渐降低 , C 元素 含量不断增加 ,材料与骨的组成成分有趋于一致的 迹象 。 10 月实验发现 : 植入的材料崩解后产生的区域 面积进一步缩小 ,材料区域间的间隔加大 ,已完全被 () 新生骨组织所包围 见图 6。面扫描可见 : C 元素在 整个区域内基本上分布较为均匀 ,点分析也证实了 这一点 。在材料中 C 元素的含量为 34 . 98 % ,而新骨 中 C 元素的含量为 43 % 。与此同时 ,Ca 和 P 元素在 材料与骨中的含量也比较接近 。这些现象表明 : 材 料与骨已基本融合 ,植入的材料正逐渐被骨组织所 替代 。 15 月的实验结果发现 : 整个植入区域的成分组 成比较均匀 , C , P , Ca 等元素的含量基本上与骨的 () 组成相一致 见图 7。植入的材料大部分已降解消 失 ,只能在局部看到部分材料颗粒 ,分散在 Haversian () 骨板间 见图 8。对比材料颗粒与骨组织的点分析 可以发现 :骨组织中的 Ca ,P 含量还要稍稍高于材料 中的 ,这充分说明了两个问题 : 首先 ,随着新生骨组 织的成熟 ,越来越多的 Ca ,P 离子沉积下来转变成为 骨 盐 , 导 致 骨 组 织 中 无 机 质 含 量 不 断 升 高 ; 图 5 材料植入 8 个月后的界面扫描与 Ca ,P ,C ,S 面分析 图 6 材料植入 10 个月后的界面扫描与 Ca ,P ,C ,S 面分析 Fig. 5 Interface scanning and Ca ,P ,C ,S surface scanning analysis Fig. 6 Interface scanning and Ca ,P ,C ,S surface scanning analysis of materials after implantation for 8 months of materials after implantation for 10 months β 其次 ,植入的 TCP 多孔生物陶瓷具有良好的降 解性能 。同时 ,降解产生大量的 Ca ,P 离子有效地参 与了新骨的生长和发育 ,从而标志着无生命的材料 向有生命的生物机体转化 。 图 8 植入 15 月后对 Haversian 骨板上材料颗粒的点分析 Fig. 8 Point analysis of materials particle on the Haversian os2 seous lamella after implantation for 15 months 借助于电子探针 ,可以观察到植入的多孔生物 ( ) 陶瓷 主 要 元 素 质 量 分 数 为 : O 41 % , Ca 38 % , P20 % , 同 时 含 有 少 量 元 素 Na , Mg 等 , 并 且 ( ) ( ) n Ca/ n P= 1 . 50 。X 射 线 衍 射 分 析 则 清 晰 地 表 β 明 :植 入 的 多 孔 TCP 生 物 陶 瓷 的 化 学 组 成 以 β TCP为主晶相 , 同时含有焦磷酸钙 、烧结的羟基 磷灰石 、无定形磷酸钙晶相和非晶相等 ,不仅其化学 组成接近骨骼的矿物相无机成分 ,而且具有与骨骼 相似的多孔网络状结构 。与磷酸钙生物陶瓷明显不 同的是 :骨骼中含有生命元素 C ,S 等 ,说明股骨中同 时含有矿物相无机成分和骨有机成分 。C 元素的相 对含量可在很大程度上估计骨有机成分的相对含量 或比例 。不同部位元素比的明显差异说明股骨组成 是非均相的复杂结构 。元素成分和元素比的变化反 映了其组成和结构的变化 。通过 C , Ca 和 P 等元素 在材料与骨组织的含量变化及钙磷比的变化 ,可以 β 对 TCP 生物陶瓷植入后的变化进行适当分析 , 如图 9 和图 10 所示 。 图 9 表明 :当多孔生物陶瓷植入体内后 ,随着体 液的渗入 ,大量的巨噬细胞 、成骨细胞和胶原纤维等 有机体进入到材料中 ,从而使材料内部出现了 C , S等生命元素 。在体液的溶解和细胞介导生物降解的 双重作用下 ,材料开始崩解 。由于胶原纤维的不断 图 7 材料植入 15 个月后的界面扫描与 Ca ,P ,C ,S 面分析 长入和新骨在材料内部的持续生成 , 导致材料的 CFig. 7 Interface scanning and Ca ,P ,C ,S surface scanning analysis 元素含量不断升高 。与此同时 ,材料的降解使磷酸of materials after implantation for 15 months 盐的 形 式 进 行 新 骨 的 构 建 。另 外 , 降 解 产 生 的 3 - ( ) ) ( PO能 被 细 胞 利 用 而 合 成 ATP 腺 苷 三 磷 酸、 4 ) ) (( GTP 鸟苷三磷酸和 PEP 磷酸烯醇式丙酮酸等一 些生命活动必需的 、含有高能磷酸键的化合物 。这 些化合物在糖类 、脂类 、核酸和蛋白质等生命大分子 () 主要指骨的有机成分的合成中发挥着重要的作 用 。在激酶的作用下 ,ATP 可以把高能磷酸基团转 2 + 移给蛋白质 ,从而合成磷蛋白 。磷蛋白与 Ca结合 ) (形成磷蛋白 HAP 骨的无机成分,在生命大分子的 14 参与下 ,经过复杂的分子调控机制 ,新骨形成,这 也是新骨形成过程中 C , S ,N 等生命元素出现的原 因之一 。因此 ,在新骨生成的初期 ,新骨中 C 元素的 图 9 植入后 C ,Ca 元素含量及钙磷比在材料区域的变化 含量相对较高 ,而 Ca 和 P 元素的含量较低 。随着新 曲线 骨的逐渐发育成熟 ,越来越多的骨盐开始在新骨中 ( ) Fig. 9 Varying curves of C and Ca element content and n Ca/ 沉积 ,新骨逐步改建为成熟的松质骨 。因此 ,随着时 ( ) n Pratio in materials region after implantation 间的推移 ,新骨组织中 C 元素含量不断降低 , 而 Ca 和 P 元素的含量则逐渐升高 ,新骨组织中的钙磷比 则保持在一个较高的水平上 ,没有太大的变化 。 多孔生物陶瓷的主要元素是 Ca , P ,O ,还有微量 的 Na ,Mg 等元素 。兔骨骼含有 C ,O ,Ca ,P ,Na ,Mg 等 元素 ,不同于 Ca , P 无机材料 ,而是一种介于有机物 和无机物特殊有生命的复合材料 。植入的与未植入 的材料对照出现了生命元素 C ,且在不同时期有明 显差别 ,表明植入后无生命的钙磷无机材料降解后 的产物已参与构成有生命的新生骨组织 。在材料与 兔骨的界面处 ,主要元素有 C ,O , Ca , P ,微量元素有 Na ,Mg ,S ,Cl 等 。界面不同时期 、不同部位的钙磷元 素比彼此存在差异 ,这表明界面是植入材料与兔骨 相互作用最活跃的区域 。界面元素比的变化反映了 图 10 植入后新骨中 C , Ca 元素含量及钙磷比的变化曲 新骨向植入区长入的程度存在差异 ,是材料的溶解 线 和降解程度 、细胞代谢作用 、有机骨基质的产生和骨 Varying curves of C and Ca element content and n Fig. 10 盐的沉积等不同所造成的综合效果 。 ( ) ( ) Ca/ n Pratio in new bone region after implantation 钙持续解离 ,降解产物 Ca , P 离子被不断吸收 、转运 3 结 论 和重结晶 , 使 材 料 中 Ca 元 素 的 含 量 不 断 下 降 。同 时 ,由于在成骨细胞和胶原纤维的调控下 , Ca , P 离 β 通过对多孔 TCP 生物陶瓷植入后组成成分 (子不断沉积在材料表面 首先在材料大孔的孔腔中 , 的分析研究表明 : 材料具有良好的降解性能和骨传 ) 随后扩展到整个材料表面,从而使材料的钙磷比呈 导性 。新骨从材料周围不断向材料内部渗入 ,材料 现出逐步升高的趋势 ,不断向骨组织的钙磷比趋近 。 被分散 、降解 ,两者的组成成分趋于一致 ,最终材料 图 10 表明 :新骨的生成是以胶原纤维和成骨细 被新骨所取代 。结果表明 : 植入后无生命的钙磷无 胞等有机质为基础的 。在陶瓷材料植入的初期 ,大 机材料的降解产物一方面通过溶解沉积参与胶原纤 量的胶原纤维和成骨细胞进入材料 ,在成骨细胞和 维的矿化 ;另一方面通过 P 的活化合成磷蛋白参与 磷蛋白等有机质的调控下 ,钙磷离子开始沉降 ,以骨 新骨矿化 ,从而参与构成有生命的新生骨组织 。材 neer human bone J . Biomaterials , 1996 , 17 : 175 —185 . 料降解和新骨形成过程中 ,界面元素的变化反映了 SUCHEYNE P , QIU Q. Bioactive ceramics : the effect of surface re2 7 材料降解和新骨生成过程同时发生 ,是既相互联系 activity on bone formation and bone cell function J . Biomaterials , 又相互制约的复杂而缓慢的生物转化过程 ,也是多 1999 , 20 : 2 287 —2 303 . 种因素造成的综合效果 。 L EGEROS RZ. Biodegradation and bioresorption of calcium phos2 8 phate ceramics J . Clin Mater , 1993 , 14 : 65 —88 . DAI Honglian , L I Shipu , YAN Yuhua , et al . The osteogenesis 9 参考文献 : process of tricalcium phosphate ceramics in vivo J . Transact Non 2 1 GRIMM B , MIL ESS A W , TUMER I G. Optimizing a hydroxyap2 () ferr Metals Soc China , 2003 , 13 1: 65 —68 . atite/ tricalcium phosphate ceramic as bone graft extender for in2 DAI Honglian , L I Shipu , YAN Yuhua , et al . Study on the Trans2 10 paction grafting J . J Mater Sci : Mater Med , 2001 , 12 :929 —934 . formation of calcium phosphate bioceramics in vivo J . J Wuhan U 2 2 GIOVANNI Z , ILARIO L , JAMES T , et al . 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