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第一部分淀粉增强型磷酸钙骨水泥的物理及可操作性能研究目的:制备淀粉增强型磷酸钙骨水泥(CPB)并检测其物理及可操作性能。方法:本次实验共分成4组样本。磷酸钙骨水泥(CPC)组:将90%的α-TCP和10%DCPD混合制备成CPC固相。淀粉复合磷酸钙骨水泥(CPS)组:将20%的玉米淀粉与80%的CPC混合制备成CPS固相。CPB组:将20%的玉米淀粉和20%硫酸钡与60%CPC混合制备成CPB固相。0.25mol/L的Na2HPO4作为液相。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组:聚甲基丙烯酸甲酯。分别测量各组样本的注射性、抗溃散性、固化时间、体外压缩强度以及微观结构。结果:与CPC相比CPS和CPB均具有良好的注射性和抗溃散性。除此之外CPB还具有适宜手术操作的固化时间。骨水泥压缩强度PMMA组>CPB组>CPS组>CPC组(P<0.01)。SEM结果表明:CPB的断裂表面表现出比CPC更致密的微观结构;CPB基质中存在小晶体和一些细针状颗粒,这些沉淀物是从原始材料中转化的HA晶体。结论:1.CPB具有良好的注射性,而且具有良好的抗溃散性。2.CPB具有适用于手术操作的初凝时间和终凝时间。3.CPB的压缩强度可以达到(34.07±2.22)MPa,明显高于CPC和CPS,低于PMMA。第二部分CPB的体内显影性、降解性和生物相容性研究目的:观察CPB的体内显影性、降解性和生物相容性,探讨其在生物体内应用的可能性。方法:选择18只9-11周,200-250g的SD大鼠。用10%水合氯醛实施腹腔注射麻醉。将CPC、CPS、CPB和PMMA固相分别与液相混合,混合后分别注射到大鼠的皮下。于术后3天、7天、14天、28天、56天和84天拍摄X片(在28天、56天和84天摄Micro-CT),并处死3只老鼠取出CPB样本。将取出的CPB样本置于10%福尔马林中浸泡24小时,之后于10%EDTA溶液中脱钙14天。最后进行石蜡包埋、染色切片和电镜观察。结果:所有大鼠均顺利完成手术,没有老鼠死亡。肉眼观察见CPC、CPS、CPB和PMMA植入部位在术后三天均出现局部淤血肿胀,并在术后7天后恢复正常。X片见CPB的显影性明显高于CPC和CPS,与PMMA相似。同时X片可见CPB稳定固定在老鼠背部,在实验期间未见明显移位。Micro-CT软件分析结果显示,CPB发生降解,术后84天CPB降解8%。CPB染色切片可见术后3天炎症细胞浸润,术后7天炎症细胞基本消失,术后14天可见纤维结缔组织包裹,之后可见纤维结缔组织由致密结缔组织转化为疏松结缔组织。结论:1.CPB具有良好的显影性。2.CPB体内可降解,84天降解8%。3.CPB植入体内无不良反应,具有良好的生物相容性。第三部分CPB的体内生物力学和与骨结合能力的研究目的:将骨水泥填充到羊椎体标本和大鼠股骨,观察CPB能否增强椎体强度及其与股骨结合强度。方法:选择15个新鲜成熟的雄性绵羊(2.5-3年,体重35-55kg)脊柱(88个)和15只SD大鼠(9-11周,200-250g)。X片显示每个椎体均排除可能影响腰椎力学性能的病变。去除每个椎体周围软组织及椎弓根。所有椎体均随机分为脱钙组和未脱钙组。未脱钙48个椎体随机平均分为6组,除对照组外,其他5组用6.0mm直径的钻头在椎体的矢状平面造一6.0mm直径的对穿孔。CPC,CPS,CPB和PMMA填充到椎体孔内,空白组不填充水泥。脱钙组40个椎体均用10%福尔马林固定24小时,然后浸泡在10%EDTA溶液中,于4℃条件下脱钙7天。所有标本均采用双能X射线吸收测量法测量脱钙前后骨密度(BMD)。脱钙后将所有椎体随机分为5组,其中4组在椎体的矢状平面造一6.0mm直径的对穿孔,并分别用CPC,CPS,CPB和PMMA填充。在这些处理完成后,在椎体两端用牙托粉覆盖,以保证两端平整光滑。万能力学测试机对每个椎体进行力学性能测试。SD大鼠共分为5组,包括非手术组、空白组、CPC、CPB和PMMA组。提前制备直径2.5mm的圆柱状CPC、CPB和PMMA。用4%水合氯醛实施腹腔注射麻醉,用直径2.5mm的电钻在SD大鼠股骨髁间钻一对穿孔(空白组未钻孔),将骨水泥填入。术后84天处死所有大鼠并取出股骨。万能力学测试机上进行三点压缩实验并于测试后摄X片,记录实验结果.结果:1.未脱钙组:CPB组力学压缩强度高于正常椎体,低于PMMA组,但三者之前差异无明显统计学意义(P>0.01)。压缩试验后,CPC组椎体明显骨折,而且CPC碎裂成粉末状。CPS组椎体也明显骨折,CPS同样呈粉末状,但粉末程度低于CPC。PMMA组椎体骨折明显。然而,PMMA在压缩试验后保持完整无明显裂纹。CPB组椎体呈裂隙骨折,CPB表面也出现微小裂纹,去除CPB的表面后可见其内部保持完好。2.脱钙组:脱钙7天后,椎体骨密度之前的0.42g/cm2降至脱钙后的0.23g/cm2,平均丢失约50%。CPB组的力学压缩强度明显高于CPC组和空白组(P<0.01)。CPB组和PMMA组的力学压缩强度无明显统计学差异(P>0.01)。3.SD大鼠:对照组和空白组的生物力学强度差异无统计学意义(P>0.01)。CPC组明显低于其他组(P<0.01)。CPB组的生物力学强度为约140N,与空白组和PMMA组无统计学差异(P>0.01)。三点压缩实验后,对照组和空白组中断裂在股骨中段的比例是5/6;CPC组为0/6,且都在样本中间断裂;PMMA组为0/6,且断裂在PMMA与股骨相邻界面;CPB组为4/6,包括在股骨中部的4个,在股骨近端的1个,在CPB与股骨相邻界面1个。结论:1.CPB可以明显增强缺损椎体和骨质疏松性缺损椎体的生物力学强度。2.CPB与大鼠股骨良好结合,在相邻界面形成紧密的咬合关系,对缺损股骨起到良好的支撑作用,具有临床应用潜力。