孫小莉 湯曉陽 郭艷 張娟麗 王冬梅 ＊ 吳建 張偉 陳婷婷

1 河南省醫(yī)療器械檢驗所 （河南 鄭州 450003）2 鄭州大學公共衛(wèi)生學院 （河南 鄭州 450001）

內(nèi)容提要： 目的：為研究骨軟骨一體支架材料的力學性能。方法：通過Zwick/Roell2030萬能實驗機對本課題組采用化學交聯(lián)和物理交聯(lián)制備的兩組骨軟骨一體支架材料進行軸向壓縮、3點彎曲實驗。結果：軸向壓縮實驗結果表明：化學交聯(lián)制備的一體支架在軸向抗壓縮和外抗斷裂方面略高于物理交聯(lián)制備的一體支架。3點彎曲實驗結果表明：化學交聯(lián)制備的一體支架的彎曲剛度、彎曲強度、彎曲最大力和彎曲斷裂功等四項指標均高于物理交聯(lián)制備的一體支架。結論：這與骨軟骨一體支架材料的制備方式有關，化學交聯(lián)的骨軟骨一體支架材料中化學鍵的鏈接造成了骨軟骨一體支架材料優(yōu)異的生物力學性能。

因創(chuàng)傷等疾病引起的關節(jié)軟骨病變是骨科常見的疾病。關節(jié)軟骨沒有血管組織，它自身的修復能力有限，軟骨細胞的營養(yǎng)來源為關節(jié)滑液及細胞周圍基質(zhì)通過無氧酵解。促進關節(jié)軟骨自身修復并重建關節(jié)功能是當今世界面臨的臨床難題之一[1]。組織工程學的發(fā)展，支架材料為軟骨的重建和修復提供了新的途徑。

脫細胞組織基質(zhì)在去除組織的移植免疫原性的同時獲得一種無免疫排斥的組織替代物。軟骨組織由于其較致密，脫細胞試劑不容易滲入，脫細胞困難，國際上對此研究較少。目前國內(nèi)雖然有關軟骨細胞外基質(zhì)構筑的支架多為單層支架僅用于修復軟骨缺損，而基于軟骨細胞外基質(zhì)用于修復骨軟骨聯(lián)合缺損的雙層或多層支架卻鮮有報道。截止目前，僅有解放軍總醫(yī)院的楊強以犬軟骨細胞外基質(zhì)和犬脫細胞骨研制出修復骨軟骨聯(lián)合缺損的雙層支架；山西大學杜美麗采用聚羥基丁酸與羥基辛酸為基礎材料，以磷酸三鈣（TCP）為輔助材料，制備出軟骨層/過渡層/硬骨層一體化支架；上海大學韓振中以明膠/殼聚糖為軟骨層材料、以明膠/殼聚糖和海藻酸鈉/磷酸三鈣（TCP）為過渡層、以聚乳酸/磷酸三鈣為硬骨層通過3D打印技術復合成一體支架。但是對于上述這幾種支架仍處于研究階段，未應用于臨床[2-4]。因此，研究基于脫細胞組織基質(zhì)可臨床應用的骨軟骨組織工程一體支架產(chǎn)品，將具有巨大的臨床應用前景以及產(chǎn)生不菲的經(jīng)濟效益。

本研究以兔脫細胞松質(zhì)骨為骨軟骨組織工程一體支架的硬骨層，以兔軟骨細胞外基質(zhì)復合絲素蛋白為軟骨層，采用冷凍—干燥法制備一體支架，這有別于已經(jīng)報道的一體支架產(chǎn)品，因此其可能在修復骨缺損時表現(xiàn)出優(yōu)異的療效。所以，筆者通過生物力學實驗手段對采用化學交聯(lián)和物理交聯(lián)制備的兩組骨軟骨組織工程一體支架的力學性能進行了研究。

1.材料與方法

1.1 一般材料

實驗材料：本課題組采用化學交聯(lián)（A組）和物理交聯(lián)（B組）的兩組骨軟骨組織工程一體支架。

儀器設備：Zwick/Roell2030萬能實驗機（Zwick/Roell，德國）。

1.2 方法

生物力學試驗：軸向壓縮實驗、3點彎曲試驗。

軸向壓縮實驗：將骨軟骨組織工程一體支架固定并嵌入試驗機卡槽中，以0.5mm/min恒定速度加載，于各位移點可得到相應的壓力值，自動打印實驗數(shù)據(jù)?？箟簞偠仁欠从硺吮颈旧砜箟嚎s的指標。

3點彎曲試驗：按3點彎曲實驗夾具裝夾骨軟骨組織工程一體支架于合適位置并裝接應變片，然后再以0.5mm/min恒定速度均勻緩慢加載至其斷裂，自動打印實驗數(shù)據(jù)。3點彎曲實驗實際上包括了拉應力、壓應力和剪應力。最大應力值是反映標本抗彎曲強度的指標，彎曲剛度則是反映標本本身抗彎曲的指標。

2.結果

2.1 軸向壓縮實驗結果

軸向壓縮實驗結果見表1。

表2.3點彎曲實驗結果(±s)

表2.3點彎曲實驗結果(±s)

images/BZ_28_213_2230_2304_2287.png組別 彎曲剛度(kN/mm2) 彎曲強度(N/mm2) 彎曲最大力(N) 彎曲斷裂力(N/mm)A組 14.11±1.04 110.52±101.61 47.75±14.66 16.55±5.89

2.2 3點彎曲實驗結果

3點彎曲實驗結果見表2。

表1.軸向壓縮實驗結果(±s)

表1.軸向壓縮實驗結果(±s)

組別 壓縮剛度(kN/mm2) 斷裂最大力(N)A組 3.11±1.01 78.49±25.63 B組 2.51±1.22 64.47±17.85

3.討論

從軸向壓縮實驗可知，化學交聯(lián)制備的一體支架在軸向抗壓縮和外抗斷裂方面略高于物理交聯(lián)制備的一體支架，這可能是由于材料利用化學交聯(lián)法制備的骨軟骨一體支架材料具有有序緊密的三維結構，不同層之間的材料通過化學鍵結合的更為牢固，從而導致化學交聯(lián)制備的一體支架在軸向抗壓縮和外抗斷裂方面略高于物理交聯(lián)制備的一體支架。同樣從3點彎曲試驗結果亦可知，化學交聯(lián)制備的一體支架其彎曲剛度、彎曲強度、彎曲最大力和彎曲斷裂功等四項指標均高于物理交聯(lián)制備的一體支架，因此在后期進行動物實驗時應采用化學交聯(lián)制備的一體支架，其良好的力學特性，能與組織植入部位的力學要求相匹配，三維結構更適合細胞黏附、增生和分化的表面化學特性，更有利于骨缺損愈合。

通過對化學交聯(lián)和物理交聯(lián)制備的兩組骨軟骨一體支架材料進行軸向壓縮、3點彎曲實驗研究，說明化學交聯(lián)制備的一體支架具有良好的力學特性，是一種良好的骨軟骨一體支架材料。