杜曉丹# 孫聰慧# 趙丹妹 姜愛莉 陳丹丹
鈦及鈦合金具有良好的生物相容性、抗腐蝕性及良好的力學(xué)性能,并且毒副作用相對較小,價格低廉[1-2],因此在臨床上廣泛用于人體硬組織替代和修復(fù)[3]。
羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA)和鈦合金都是目前醫(yī)療器械領(lǐng)域常用的骨修復(fù)、替代材料。鈦合金雖然能起到很好的支撐作用,但是不能誘導(dǎo)骨骼生長,植入體內(nèi)后還可能釋放金屬離子,對人體造成傷害。而HA是骨骼的組成成分之一,與其他磷酸鈣陶瓷(如磷酸三鈣)相比,在體內(nèi)相對穩(wěn)定,但是HA的機(jī)械強(qiáng)度很差[4],抗拉能力低、韌性小,在體內(nèi)植入中容易斷裂[5]。因此,綜合兩者的優(yōu)點,將HA噴涂在鈦合金材料的表面,便形成了具有良好生物相容性的羥基磷灰石涂層[5-6]。近年來,隨著3D技術(shù)的迅速發(fā)展,多種3D技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用[7],而3D打印鈦合金植入物更是廣泛用于各種類型的骨骼和關(guān)節(jié)損傷的修復(fù)和治療,與傳統(tǒng)的修復(fù)材料相比,3D打印鈦合金具有成型能力強(qiáng)、加工周期短的優(yōu)點,并且可以根據(jù)患者情況進(jìn)行個體化定制[8],但目前較少對涂布羥基磷灰石涂層的3D打印植入物開展生物安全性研究,因此,本研究就對有涂層和無涂層的3D打印鈦合金材料進(jìn)行了全面的生物安全性評價。
3D打印鈦合金髖臼杯材料由納通生物科技(北京)有限公司提供,應(yīng)用的儀器是3D打印機(jī)(德國Eos金屬3D打印公司),樣品照片見圖1。
圖1 無HA涂層和有HA涂層材料實物圖片:A.無HA涂層材料,孔徑稀疏;B.有HA涂層材料表面發(fā)白,有些孔徑已覆蓋
研究所用細(xì)胞為L929成纖維細(xì)胞和小鼠淋巴瘤細(xì)胞系(L5178Y TK+/-3.7.2C),TA97、TA98、TA100、TA102菌株,動物為SPF級新西蘭大白兔6只(雄性,體重2.5~3 kg)和昆明小鼠30只(雄性,體重15~17 g),實驗動物許可證號為SYXK(京)2017-0013,全部由中國食品藥品檢定研究院提供。高密度聚乙烯是陰性對照材料(美國藥典委員會)。
研究所用試劑與儀器包括:MEM培養(yǎng)基和雙抗(北京索萊寶生物科技公司);生理鹽水(河北國藥石家莊四藥有限公司);玉米油(江西益普生物藥業(yè)有限公司);二甲基亞砜(DMSO)(美國Sigma公司);胎牛血清和1640培養(yǎng)基(美國Gibco公司)。倒置熒光顯微鏡1X71(日本奧林巴斯顯微鏡公司);熒光酶標(biāo)儀SpectraMax M5(上海美谷分子儀器有限公司);紫外分光光度計(日立科學(xué)儀器有限公司);二氧化碳培養(yǎng)箱(美國Thermo公司);細(xì)胞計數(shù)儀(上海睿鈺生物科技有限公司);電子天平(上海諾萱科學(xué)儀器有限公司);搖床(上海智誠分析儀器制造有限公司);電熱水浴箱(天津市泰斯特儀器有限公司)。
1.2.1 細(xì)胞毒性試驗
試驗分為空白對照組(MEM培養(yǎng)基)、陰性對照組(高密度聚乙烯浸提液)、陽性對照組(10%DMSO)、有HA涂層樣品組和無HA涂層樣品組。所有組均用MEM培養(yǎng)基浸提后接種L929細(xì)胞1×104細(xì)胞/孔,培養(yǎng)24 h,換液再孵育24 h,用倒置顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài)特征并拍照。然后加入MTT溶液繼續(xù)孵育2 h,棄去MTT,加入0.1 mL的異丙醇溶液,震蕩平板。用酶標(biāo)儀在570 nm、650 nm下測量吸光度值[9]。然后根據(jù)公式(1)來計算細(xì)胞存活率:
1.2.2 刺激試驗
取6只新西蘭大白兔,分為4組:有HA涂層材料生理鹽水浸提組和無HA涂層材料生理鹽水浸提組,有HA涂層材料玉米油浸提組和無HA涂層材料玉米油浸提組。其中3只兔子左邊注射生理鹽水和玉米油對照,右邊注射有HA涂層材料生理鹽水浸提液和玉米油浸提液。另外3只兔子相同操作,右邊注射無HA涂層材料的浸提液。在注射的0、24、48、72 h觀察記錄各個注射部位的情況,對每個觀察期各注射部位的紅斑和水腫的組織反應(yīng)評分(見表1),并記錄實驗結(jié)果。
表1 刺激反應(yīng)評分依據(jù)
三只兔子記分相加后除以3得出每一試驗樣品和相應(yīng)空白對照的平均積分,試驗樣品的平均積分減去空白對照的平均記分得到刺激指數(shù)。
1.2.3 急性毒性試驗
取昆明小鼠30只,隨機(jī)分為6組,其中3組分別尾靜脈注射生理鹽水對照、有HA涂層和無HA涂層材料的浸提液,另外3組分別腹腔注射玉米油、有HA涂層和無HA涂層材料的玉米油浸提液。記錄注射后第1、2、3 d觀察到的動物的毒性癥狀,并記錄體重變化,如發(fā)現(xiàn)死亡動物則需要進(jìn)行尸檢并隔離瀕死動物[10]。
1.2.4 溶血試驗
試驗分為陽性對照組(蒸餾水)、陰性對照組(生理鹽水)、有HA涂層材料浸提液組、無HA涂層材料浸提液組。將上述4組的離心管放入37℃恒溫水浴中孵育30 min。每管加入0.1 mL的稀釋血液,37℃孵育60 min,800g離心力下離心5 min,吸取上清液,用空白管溶液調(diào)零,紫外分光光度計在545 nm處測量各管的吸光度值。并按照公式(2)計算溶血率。根據(jù)ISO 10993-4:2017,溶血率小于5%為不具有溶血作用[11]。
式(2)中:HI為溶血率;A為試驗組的吸光度值;B為陰性對照組的吸光度值;C為陽性對照組的吸光度值。
1.2.5 Ames試驗
有HA涂層和無HA涂層材料分別用DMSO和生理鹽水浸提72 h。實驗中分為6個組:生理鹽水陰性對照組,有HA涂層材料生理鹽水浸提液組,無HA涂層材料生理鹽水浸提液組,培養(yǎng)基陰性對照組,有HA涂層培養(yǎng)基浸提液組,無HA涂層培養(yǎng)基浸提液組。將上述6組同時設(shè)置活化組(添加S9混合液)和非活化組(不添加S9混合液)。冷凍保存的TA97、TA98、TA100、TA102菌株復(fù)蘇培養(yǎng)后,使用平板摻入法接種細(xì)菌,同時將材料浸提液及對照加入到平板中,活化組和非活化組進(jìn)行同樣的操作。等平板全部固化后,將平板倒置于37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h后進(jìn)行觀察。對比ISO 10993.3:2014規(guī)定判斷材料的毒性[12]。
1.2.6 小鼠淋巴瘤試驗
使用小鼠淋巴瘤細(xì)胞系(L5178Y TK+/-3.7.2C)進(jìn)行TK基因突變試驗。有HA涂層和無HA涂層材料分別用生理鹽水和培養(yǎng)基浸提3 d作為浸提液組并將溶劑作為對照組。實驗中分為7個組:生理鹽水陰性對照組,有HA涂層材料生理鹽水浸提液組,無HA涂層材料生理鹽水浸提液組,培養(yǎng)基陰性對照組,有HA涂層培養(yǎng)基浸提液組,無HA涂層培養(yǎng)基提液組和陽性對照組。將上述7組同時設(shè)置活化組(添加S9混合液)和非活化組(不添加S9混合液),活化組樣品由細(xì)胞懸液、樣品浸提液或?qū)φ杖芤汉蚐9混合液、含血清的培養(yǎng)基混合。非活化組樣品由細(xì)胞懸液、樣品浸提液或?qū)φ杖芤汉蚉BS、含血清的培養(yǎng)基混合?;罨到y(tǒng)陽性劑采用的是甲磺酸甲酯(MMS),非活化系統(tǒng)采用的陽性劑為環(huán)磷酰胺(CTX)。將上述14組分別配制在離心管中,放入37℃、5%CO2的震蕩培養(yǎng)箱中接觸4 h。將上述混合液離心洗滌重懸細(xì)胞,調(diào)節(jié)細(xì)胞濃度為3×105個/mL,將細(xì)胞懸液轉(zhuǎn)移到75 mL培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)2 d,在培養(yǎng)24 h后將細(xì)胞濃度重新調(diào)節(jié)為3×105個/mL繼續(xù)培養(yǎng)。
鋪板:將細(xì)胞懸液稀釋到8個細(xì)胞/mL。按每孔0.2 mL(即每孔接種1~2個細(xì)胞)進(jìn)行鋪板,每組接種兩塊平板。第0天的平板接種效率用PE0表示,第2天的平板接種效率用PE2表示。
TFT(三氟胸苷)拮抗平板:第二天表達(dá)結(jié)束后,取表達(dá)結(jié)束后的細(xì)胞離心,將細(xì)胞濃度調(diào)節(jié)為1×104個/mL,加入TFT(三氟胸苷)混勻,每孔0.2 mL(即每孔接種2 000個細(xì)胞)加入到96孔板中,培養(yǎng)12 d。分別計算相對存活率(RS)、每日細(xì)胞增長率(DCG)、相對懸浮增長率(RSG)、相對總存活率(RTG)和TFT抗性突變頻率(MF)。
平板接種率PE和突變率MF的計算:平板效率PE0、PE2及突變率MF均按泊松分布按公式(3)、公式(4)進(jìn)行計算。
W-不含集落的孔數(shù);TW-總孔數(shù);N-每孔的平均細(xì)胞數(shù)。
相對存活率(RS)、每日細(xì)胞增長率(DCG)、相對懸浮增長率(RSG)、相對總增長率(RTG)按公式(8)進(jìn)行計算:
1.2.7 Bhas 42細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗
復(fù)蘇后的Bhas 42細(xì)胞用DF5F傳代穩(wěn)定一代后,細(xì)胞融合率達(dá)到80%以上時收集細(xì)胞,啟動試驗組調(diào)細(xì)胞濃度4 000、8 000、12 000 cell/mL,配 制1、0.5、0.25、0.125μg/mL的3-MCA(3-甲基膽恩),每孔按0.05 mL鋪板;促癌試驗組調(diào)細(xì)胞濃度4 000、6 000、8 000 cell/mL,配制1 000、500、250、125 ng/mL的TPA(佛波醇),每孔按0.1 mL鋪板。將以上條件分別進(jìn)行正交組合,按照每個組合8個復(fù)孔進(jìn)行鋪板,啟動試驗組在鋪板后第1 d加入0.05 mL的試驗樣品;促癌試驗在鋪板后的第4 d加入0.1 mL的實驗樣品。培養(yǎng)7 d,用結(jié)晶紫染色觀察。使用上述得出的結(jié)論進(jìn)行后續(xù)的細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗,除了每個樣品鋪整塊板子,其他操作同細(xì)胞生長試驗,同時每組并行一個細(xì)胞生長試驗,第7 d是用上述相同方法檢測細(xì)胞生長,其他的繼續(xù)培養(yǎng)分別在第11、14 d時進(jìn)行換液,在第21 d時用吉姆薩對細(xì)胞進(jìn)行染色觀察。
采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,符合正態(tài)分布的兩組比較時使用獨立樣本t檢驗,不符合正態(tài)分布采用秩和檢驗;計數(shù)資料以率和頻數(shù)表示,采用χ2檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
陽性對照組、空白對照組、陰性對照組和有HA涂層樣品組、無HA涂層樣品組的細(xì)胞生長狀態(tài)如圖2所示。
圖2 各組別細(xì)胞生長情況:A.陽性對照組細(xì)胞成圓形狀態(tài),細(xì)胞死亡;B.空白對照組細(xì)胞呈現(xiàn)長條形,且生長密集,細(xì)胞生長狀態(tài)良好;C.陰性對照組細(xì)胞呈現(xiàn)長條狀,細(xì)胞貼壁生長,且生長密集;D.有HA涂層樣品組細(xì)胞呈現(xiàn)長條狀,細(xì)胞貼壁生長,且生長密集;E.無HA涂層樣品組細(xì)胞呈現(xiàn)長條狀,細(xì)胞貼壁生長,且生長密集
根據(jù)公式(1)可以分別計算出有HA涂層樣品組的細(xì)胞存活率為(117±6)%,無HA涂層樣品組的細(xì)胞存活率為(106±14)%,存在一定的實驗誤差,分別與陰性對照組進(jìn)行對比,細(xì)胞存活率在75%以上,無細(xì)胞毒性。說明有HA涂層的材料和無HA涂層的材料均對L929細(xì)胞無細(xì)胞毒性。
72 h后各組記分得到有HA涂層材料生理鹽水浸提液組和無HA涂層材料生理鹽水浸提液組刺激指數(shù)為0,不大于1,有HA涂層材料玉米油浸提液組和無HA涂層材料玉米油浸提液組刺激指數(shù)為0.06,不大于1。
在整個急性毒性試驗過程中,各組均未出現(xiàn)毒性表現(xiàn),也未出現(xiàn)死亡的實驗個體,小鼠的體重在樣品浸提液注射后24、48、72 h后均呈增長的趨勢(見圖3)。因此,可以得出有HA涂層和無HA涂層的兩種材料均不具備急性毒性。樣品組和對照組的小鼠體重比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。
圖3 急性毒性試驗中小鼠的體重變化
通過計算得到,有HA涂層材料浸提液組的溶血率為0.125%;無HA涂層材料浸提液組的溶血率為-0.257%;兩者的溶血率均不大于5%,因此可以判定兩種材料均不具有溶血作用。
在實驗的第三天通過計數(shù)各組的菌落數(shù),如表2所示。
表2 回復(fù)突變試驗各組的菌落數(shù)
各組的回復(fù)突變的菌落數(shù)均在正常值范圍內(nèi),因此兩種材料均不會導(dǎo)致組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株鼠傷寒沙門氏菌發(fā)生回復(fù)性突變。從側(cè)面印證了兩種材料均不具備遺傳毒性。
經(jīng)過實驗得出非活化鹽水對照組PE00.77,PE20.95,MF 67.0×10-6,活 化 鹽 水 對 照 組PE00.79,PE20.91,MF 80.2×10-6,非活化培養(yǎng)基對照組PE00.67,PE20.73,MF 136.2×10-6,活化組培養(yǎng)基對照組PE00.70,PE20.67,MF 138.9×10-6。加減S9的兩組的生理鹽水對照組和培養(yǎng)基對照組的PE0、PE2均在65%~120%,MF值在50×10-6~170×10-6之間,非活化陽性對照組小集落突變頻率S-MF 174.6×10-6比非活化生理鹽水對照和培養(yǎng)基對照高出150×10-6以上,活化陽性對照組小集落突變頻率S-MF 317.7×10-6比活化生理鹽水對照和培養(yǎng)基對照也高出150×10-6以上,證明該實驗成立。其他各試驗劑量組數(shù)據(jù)比較,各組之間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.652),在此前提之下,各樣品組的突變頻率MF均大于或小于陰性對照組,且稍微高于陰性對照組的劑量組均不超過126×10-6。因此說明了有HA涂層和無HA涂層的兩種材料均不具有遺傳毒性。
吉姆薩染液將細(xì)胞染色后在顯微鏡下進(jìn)行觀察,可以看出細(xì)胞多層重疊生長而產(chǎn)生的細(xì)胞轉(zhuǎn)化灶,在啟動試驗3-MCA組96孔板中細(xì)胞轉(zhuǎn)化灶出現(xiàn)高于對照組和有HA涂層樣品組以及無HA涂層樣品組。在促癌試驗中TPA陽性組96孔板中出現(xiàn)的細(xì)胞轉(zhuǎn)化灶出現(xiàn)高于對照組、有HA涂層組和HA涂層樣品組。陽性誘導(dǎo)劑會使細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化從而導(dǎo)致細(xì)胞不正常的增殖形成轉(zhuǎn)化灶,而正常的細(xì)胞經(jīng)過長時間的培養(yǎng),也會因為細(xì)胞重疊生長而產(chǎn)生細(xì)胞轉(zhuǎn)化灶,但細(xì)胞轉(zhuǎn)化灶出現(xiàn)的要少很多。因此說明了有HA涂層和無HA涂層的兩種材料均不具有細(xì)胞致癌性。
目前,鈦合金的表面涂層呈現(xiàn)出多種技術(shù)復(fù)合的發(fā)展趨勢,并已成為近年來鈦合金加工制造領(lǐng)域的焦點,探索涂層表面改性新技術(shù)是未來鈦合金植入物材料的發(fā)展趨勢,對其開展生物學(xué)評價也就成為材料能否最終走向臨床的研究重點。Guarise等[13]以透明質(zhì)酸鈉鹽、四丁基銨鹽、肝素等在Ti6Al4V合金表面制備sHA-DA涂層,用兔模型植入研究了Ti6Al4V合金表面HA-DA涂層的組織相容性。Zhu等[14]首次在Ti6Al4V合金表面制備了聚多巴胺-膠原涂層。體外細(xì)胞實驗表明,Ti6Al4V合金表面膠原功能化后,人包皮成纖維細(xì)胞(HFF)與人永生角質(zhì)形成細(xì)胞(HaCaTs)有較好的黏附性。大鼠皮下植入實驗表明,與Ti6Al4V或單純聚多巴胺涂層樣品相比,膠原修飾可減弱軟組織反應(yīng),改善組織相容性。Song等[15]在Ti6Al4V基體上制備出5種不同的聚醚醚酮(PEEK)復(fù)合涂層。通過紅細(xì)胞觀察、溶血試驗和血栓形成分析,評價了ZrO2顆粒增強(qiáng)聚醚醚酮涂層的血液相容性。Chen等[16]通過水熱處理結(jié)合疏水處理在Ti6Al4V合金表面制備超疏水層,研究了超疏水樣品的表面形態(tài)、表面粗糙度、相組成、元素組成、水接觸角和血液相容性。但在以往諸多文獻(xiàn)中對鈦合金及其涂層材料的研究中,對其生物學(xué)性能的研究較為有限,尤其是未見對其致癌性能評價方法的研究,較多關(guān)注的是涂層制備方法和涂層物理和化學(xué)性能的研究,同時也缺少對有涂層和無涂層多孔材料生物學(xué)性能的全面對比研究。本研究即是通過細(xì)胞毒性、刺激、急性毒性、溶血、遺傳毒性、致癌等試驗對含有羥基磷灰石涂層和不含涂層的3D打印多孔鈦合金材料進(jìn)行了較為全面的毒性檢測對比研究。
在細(xì)胞毒性試驗中,有HA涂層樣品組與無HA涂層樣品組的細(xì)胞生長狀況與陰性對照組對比均呈現(xiàn)良好的細(xì)胞生長狀態(tài),且兩組的存活率均在100%以上,說明兩種材料均不具有細(xì)胞毒性,3D打印植入物涂布HA涂層后可以為細(xì)胞黏附和爬行提供安全的基質(zhì)結(jié)構(gòu)。
在刺激試驗中,有HA涂層兩組和無HA涂層兩組與對照組相比沒有出現(xiàn)泛紅、水腫等皮膚刺激的癥狀,說明兩種材料均不具有刺激毒性,3D打印植入物涂布HA涂層后不會引發(fā)新的刺激毒性。
急性毒性試驗中,有HA涂層的生理鹽水和玉米油組以及無HA涂層的生理鹽水和玉米油組均沒有出現(xiàn)嘔吐、眩暈、走路不穩(wěn)等臨床反應(yīng),且每一組的體重均正常增長,說明了兩種材料均不具有急性毒性,3D打印植入物涂布HA涂層后不會引發(fā)新的急性毒性。
在溶血試驗中,有HA涂層組和無HA涂層組溶血率均不大于5%,可以判定兩種材料均不具有溶血作用,3D打印植入物涂布HA涂層后不會引發(fā)新的溶血作用。
在回復(fù)性突變試驗中,有HA涂層的生理鹽水和DMSO兩種浸提液組和無HA涂層兩種浸提液組的TA97、TA98、TA100、TA102的回復(fù)突變值均與陰性對照組相差不大。在小鼠淋巴瘤試驗中,各樣品組在不具有統(tǒng)計學(xué)差異的情況下,樣品組與陰性對照組比較均表現(xiàn)正常,也證明了兩種材料都不具有遺傳毒性,3D打印植入物涂布HA涂層后不會引發(fā)新的遺傳毒性。
同時,現(xiàn)有的致癌性短期預(yù)測試驗大多只限于檢測遺傳毒性致癌物,而不能檢測非遺傳毒性致癌物,因此建立快速、簡便、可靠的體外方法檢測非遺傳毒性致癌物在植入物早期研發(fā)階段具有重要意義,是當(dāng)前安全性評價毒理學(xué)研究中亟需解決的問題。本研究建立了Bhas 42細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗的方法應(yīng)用于植入物安全性評價中。Bhas 42細(xì)胞是將v-Ha-ras基因?qū)隑alb/c 3T3細(xì)胞中而建成的細(xì)胞系,可以判定植入物的非遺傳毒性。這對于長期植入器械的安全性評價而言非常重要。本研究在致癌試驗中,有HA涂層和無HA涂層材料在細(xì)胞生長實驗中均未出現(xiàn)惡性細(xì)胞轉(zhuǎn)化灶,證明了有HA涂層和無HA涂層的兩種材料都不具有遺傳致癌毒性,在細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗過程中有HA涂層和無HA涂層兩種材料有出現(xiàn)細(xì)胞轉(zhuǎn)化灶,但是與陽性組比較,細(xì)胞轉(zhuǎn)化灶的數(shù)量遠(yuǎn)少于陽性組,因此可以證明兩種材料不具有非遺傳致癌毒性。
本研究結(jié)果表明,有HA涂層材料和無HA涂層材料均表現(xiàn)出良好的生物安全性,證明了這兩種材料均具有良好的臨床應(yīng)用價值。本實驗的結(jié)果也一定程度證明了涂布HA涂層對鈦合金3D打印植入物的生物相容性具有積極意義,為鈦合金涂層材料和技術(shù)的發(fā)展提供了現(xiàn)實依據(jù),也為未來評價更多種類的涂層化3D打印鈦合金植入醫(yī)療器械提供了試驗方法的實踐依據(jù)。但本文也存在一定的局限性,開展的多數(shù)是體外研究,雖然也能夠反映部分長期毒性的問題,但由于體內(nèi)實驗?zāi)壳皟H開展了短期毒性研究,因此對材料長期毒性的探究還不充分。考慮到對一種植入的不可降解的醫(yī)療器械開展長期毒性的必要性,將繼續(xù)開展材料的體內(nèi)及長期毒性研究工作。
隨著對不同3D打印植入物涂層材料的探索和相關(guān)數(shù)據(jù)的逐步積累,我們一定能夠越來越好地利用3D打印技術(shù)和涂層技術(shù),研發(fā)出更多具有優(yōu)良性能的相關(guān)產(chǎn)品,有效推動金屬植入物克服目前存在的潛在毒性問題和生物相容性問題,造福越來越多的患者和家庭。