可降解活性陶瓷髓内钉

105 Biodegradable intramedullary nail (BIN) with high-strength bioceramics for b.pdf

用于长骨骨折固定的金属钛髓内钉(INs) 被广泛应用于临床，然而长期的高强度支撑出现应力屏蔽效应，临床上常导致骨折处的延迟愈合甚至是不愈。此外，由于金属髓内钉不可降解，需要二次手术进行移除。那是否有可能用高强度可降解材料制造全新的可降解髓内钉，实现骨折前期高强度支撑，后期逐步降解来解决金属髓内钉的缺点呢？

近期我们提出了全新的生物可降解陶瓷髓内钉，Biodegradable Intramedullary Nail (BIN)思路，通过可降解活性陶瓷材料制造髓内钉，骨折前期起到和金属髓内钉一样的固定效果，后期活性陶瓷不断降解并释放诱导成骨的活性物质，不但避免了应力屏蔽效应，还能加速骨愈合过程并调节骨免疫，也省去二次手术的痛苦。相关工作发表在《Journal of Materials Chemistry B》期刊，并被选为封面文章，浙大医学院孙苗医师、杭电邵惠锋副教授、浙大医学院徐海斌研究生为共同第一作者，浙大王慧明教授、刘安医师、贺永教授为共同通讯作者。                                               

期刊封面（Yong He, An Liu, Huiming Wang et al. Biodegradable intramedullary nail (BIN) with high-strength bioceramics for bone fracture）

图1 BIN和IN的对比及BIN用于胫骨骨折愈合图示

研究人员系统探究了镁硅酸钙系列陶瓷髓内钉的制造工艺，并对髓内钉的力学、降解、生物相容性等进行了全面分析与表征。

图2  BIN的设计准备及表征

体外细胞培养通过细胞粘附、细胞增殖、Western blot蛋白质表达分析、ELISA蛋白质浓度分析和RT-PCR的基因表达检测系统性的验证了BIN的生物相容性、骨诱导性能和骨免疫调节性能。。

图3  BIN上培养的大鼠骨髓间充质细胞的细胞黏附、细胞活性、成骨相关蛋白表达测定。

图4 BIN对骨髓微环境的免疫调节作用。

接着，研究人员利用BIN对大鼠胫骨骨折模型进行了修复固定。术后1周，2周，6周，将胫骨从体内移除，进行三点弯曲实验测定刚性，利用mCT进行缺损矿化组织向内生长的量化分析，并进行免疫组织化学分析，观察新骨形成与和破骨细胞活动情况。

图5  动物和外科手术实验数据及后续分析

从体外细胞检测结果中可看出，BIN实验组能促进细胞黏附和BMSCs的成骨分化，并提高细胞活性，同时能促进p38的磷酸化。P38途径是MAPK途径家族的主要途径，可以调节促炎症因子的合成或释放。一些研究还表明，p-p38可以直接磷酸化成骨转录因子Runx2和Osx，并且可以间接激活某些激酶并磷酸化下游基因以表达成骨特异性的标记基因。这说明BIN对胫骨骨折愈合有着积极影响。

图6 BIN组和对照组在培养一周时的染色结果对比

图7  BIN组和对照组在培养两周时的染色结果对比

图8 BIN组和对照组在培养六周时的染色结果对比

图9 BIN组和对照组在培养1、2、6周时的TRAP染色结果对比

此外，BIN还能影响极化相关的分泌和巨噬细胞的表达，能释放硅离子、镁离子和钙离子，诱导巨噬细胞向M2型极化。综合实验结果，研究人员猜测，在体内BIN能促进骨髓间充质干细胞的成骨作用，抑制巨噬细胞的促炎极化而促进愈合极化。

图10  BIN组和对照组在培养1、2、6周时的新骨面积、新COL-1面积、破骨细胞周长和数目对比

BIN可以稳定地释放钙、硅、镁离子，有利于成骨，促进BMSCs的增殖和分化，并影响RAW264.7细胞的极化。这表明其在大鼠胫骨骨折模型中具有更高的支持能力和更高的成骨作用，以及骨免疫调节作用，因此有望成为临床应用的骨科植入物。

欢迎感兴趣的公司来一起探讨相关的转化事宜。

文章链接：http://xlink.rsc.org/?DOI=D0TB02423F