羥基磷灰石植入皮下組織不同階段彈性模量的變化

徐蓮云，侯振德，趙 巍，畢 平，王 泓

(1. 天津大學機械工程學院，天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代工程力學重點實驗室，天津 300072；3. 唐山學院基礎部，唐山 063000；4. 天津醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程系，天津 300070；5. 天津市人民醫(yī)院骨科，天津 300121)

隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學技術(shù)與材料科學的發(fā)展，人造的骨替代材料越來越多地應用于臨床．羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)是人體骨組織的主要無機成分，是最常見的一種生物活性材料．羥基磷灰石是人體內(nèi)骨和牙齒的主要無機成分，在人體骨骼中起主要的支撐作用[1-2]．與骨相同，羥基磷灰石植入人體后也起到承載的作用，因此其力學性質(zhì)是影響其植入骨后作用效果的重要因素之一．如果羥基磷灰石的彈性模量能與骨較好地匹配，可以避免高彈性模量植入體內(nèi)引起的應力遮擋對骨吸收的影響[3-4]．若彈性模量太小，則起不到承載作用．

為了研究羥基磷灰石植入體內(nèi)后力學性質(zhì)的改變規(guī)律，筆者將羥基磷灰石植入大白鼠的皮下(與骨組織和軟組織接觸)，分別在 20、40、60和 80,d時取出，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法，研究纖維組織對人造羥基磷灰石彈性模量的影響，確定纖維組織在其上生長后的彈性模量變化情況．研究結(jié)果顯示，植入20,d時羥基磷灰石的彈性模量比植入前增加了 28.83%，20,d之后，彈性模量變化幅度變小．分析認為，當纖維組織附著在羥基磷灰石表面并長入微孔隙后，相當于一層復合材料薄殼包裹在羥基磷灰石植入體表面，從而提高了整體的剛度，之后在軟組織表層再生長的軟組織的增強作用會逐漸減?。?/p>

1 實驗原理和方法

實驗采用多孔的羥基磷灰石材料(由北京意華健科貿(mào)有限公司采用水熱交換法制成)，孔隙度為 50%，試樣尺寸為 2.8,mm×5,mm×12,mm．將試樣植入Wistar大白鼠背部右側(cè)肌肉內(nèi)，每只植入 5個試樣，共植入 4只大白鼠．分別在植入 20、40、60和 80,d時，從一只大白鼠體內(nèi)取出 5個試樣，然后用 2.5%戊二醛溶液進行固定，放在調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi)存放(溫度4,℃，濕度85%以上)，準備測試其彈性模量．

使用 Insrton3343電子萬能實驗機(量程為1000,N)對試樣施加壓力 F．由于試樣尺寸太小，無法采用一般引伸計測量變形，本文采用非接觸的圖像相關(guān)方法測量變形[5]，即在試樣前后表面均需要制上隨機細小散斑圖作為表面變形信息的載體．用高分辨率 CCD(分辨率為 1,004×1,003像素，Basler A,202,k)采集圖像．在試樣中部采集圖像，以保證圖像范圍內(nèi)應變均勻分布．為減少偏心加載的影響，所有試樣兩端面打磨平整并保持平行，同時試樣上端面粘貼一小塊橡膠墊實現(xiàn)軸向壓縮．實驗裝置示意見圖 1(a)．

對試樣加初載并采集圖像作為變形前的圖像，然后對試樣緩慢勻速加載(加載速率為 5,N/min)．每隔一定的載荷增幅采集一幅圖像作為變形后的圖像，利用圖像相關(guān)方法分別計算圖像靠近上下邊緣水平線的縱向位移 v1和 v2(見圖1(b))，2條水平線間的距離為l(單位為像素)，縱向線應變?yōu)?ε =(ν1?ν2) l．對應地計算出這 2條水平線間對應像素點間的多個縱向位移，然后取平均值，進而計算出縱向線應變ε．這樣做不僅減少了隨機誤差，也消除了載荷 F沿水平方向(即 x 軸方向，見圖 1(a))偏心引起的縱向線應變測量誤差．為了消除載荷F沿y軸方向(見圖1(a))偏心的影響，實際測量時分別對試樣前后 2個表面采集圖像，取前后 2個表面在相同載荷作用下的應變平均值作為該載荷下縱向線應變ε的最終測量值．由每次采集圖像時的載荷 F除以試樣橫截面面積得到與各應變對應的正應力σ，應用最小二乘法對系列應力σ和應變ε進行線性擬合，其斜率即為彈性模量 E．如前所述，彈性模量 E是兩側(cè)結(jié)果的平均值．

圖1 測試系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of measurement system

2 測試結(jié)果

表 1分別是羥基磷灰石植入大白鼠皮下前和植入大白鼠皮下組織生長20、40、60和80,d時各階段5個試樣彈性模量，20,d的只成功測試了 4個試樣．R是對應力-應變曲線進行線性擬合的相關(guān)系數(shù)．從表1可以看到，不同階段各個試樣線性擬合的相關(guān)系數(shù)R均超過了 0.98，說明羥基磷灰石材料的應力-應變曲線具有良好的線性．圖 2～圖 4分別為羥基磷灰石植入前、植入 20,d和 80,d時試樣橫斷面的掃描電鏡照片，可以看出 20,d時孔隙中的軟織組相對較少，80,d時有些孔隙中甚至長滿了軟組織．

表1 試樣植入不同階段時的彈性模量Tab.1 Young′s modulus of samples in different stages after implantation

圖2 植入前HA掃描電鏡照片(100倍)Fig.2 SEM image of HA before implantation(×100)

圖3 植入20,d斷面局部掃描電鏡照片(100倍)Fig.3 SEM image of HA after implantation for 20 days(×100)

圖4 植入80,d斷面局部掃描電鏡照片(100倍)Fig.4 SEM image of HA after implantation for 80 days(×100)

為便于分析比較，表2為各階段羥基磷灰石彈性模量的平均值和均方差．羥基磷灰石材料植入大白鼠體內(nèi)20、40、60和80,d時彈性模量平均值比植入前分別增加了28.83%、28.38%、38.41%和35.99%，圖 5為各階段的平均彈性模量隨著植入時間的變化曲線．總體上看，植入20,d的羥基磷灰石的彈性模量比植入前有明顯的增加，植入 40,d之后彈性模量相對變化不大．從表 1和表 2還可以看到，植入前測得 5個試樣的彈性模量值相對變化不大(方差很小)，植入大白鼠后每個階段試樣彈性模量的最大值和最小值相差較大，導致均方差有增加的趨勢．原因可能是試樣在大白鼠體內(nèi)的位置不同，導致纖維組織在每個羥基磷灰石的微孔內(nèi)生長程度不同．

表2 試樣植入不同階段時彈性模量的平均值和均方差Tab.2 Averages and mean-square deviations of Young′s Tab.2 modulus in different stages after implantation

圖5 試樣植入不同時間彈性模量的變化曲線Fig.5 Variation of Young′s modulus of samples with time after implantation

為了確定試樣彈性模量變化的原因，還進行了羥基磷灰石在體外的降解實驗，以估計體內(nèi)的降解程度．將羥基磷灰石放置在 pH＝7.4的 PBS緩沖液浸泡，80,d時取出，用蒸餾水浸泡沖洗，真空干燥至恒重，測得其重量損耗率僅為 1.85%，說明此羥基磷灰石在 80,d內(nèi)的降解速度很慢．文獻[6]研究了羥基磷灰石成分與材料的彈性模量的關(guān)系，表明彈性模量與羥基磷灰石成分的重量成比例．據(jù)此推算，80,d內(nèi)1.85%重量損耗使彈性模量的減小也應在這一數(shù)量范圍左右，遠小于測得的 28.83%～38.41%增加量．因此，羥基磷灰石彈性模量增加的主要原因應該是膠原纖維在其微空隙內(nèi)生長導致．

3 結(jié)果討論

圖6～圖8為羥基磷灰石斷面掃描電鏡照片．羥基磷灰石孔隙可以分 2個層次，一是宏觀孔隙，就是通常意義上適于骨組織生長的孔隙，一般尺寸在50～300,μm甚至更大，如圖6所示，另一層次的孔隙是羥基磷灰石微晶粒之間的微孔隙，這些孔隙的尺度在1～10,μm之間，見圖7．一般意義上羥基磷灰石骨替代材料的孔隙度指的是宏觀層次的孔．如果羥基磷灰石表面(包括宏觀孔的表面)附著生長了軟組織纖維，這些纖維會長入到羥基磷灰石微晶體周圍的微孔隙的內(nèi)部(見圖 8)，形成一種復合材料，一定程度上起到了纖維增強的作用．根據(jù)圖 7，這些微孔是不連通的，纖維長入的長度不會超過 10,μm，可以將長入纖維的羥基磷灰石看作隨機分布的短纖維復合材料．

采用橫縱纖維相結(jié)合的混合律模型[7-8]，分析材料增強后的有效彈性模量為

圖6 植入前羥基磷灰石宏觀孔隙結(jié)構(gòu)(50倍)Fig.6 Macropore structure of HA before implantation(×50)

圖7 植入前羥基磷灰石微觀孔隙結(jié)構(gòu)(3,000倍)Fig.7 Micropore structure of HA before implantation(×3,000)

圖8 纖維組織在羥基磷灰石上附著的結(jié)構(gòu)(1,000倍)Fig.8 Fibrous tissue attached to pore surface of HA(×1,000)

式中：mE和fE分別為基體羥基磷灰石(孔隙度為零時的彈性模量)和纖維的彈性模量；m?和f?分別為基體和纖維的體積分數(shù)；β為應力傳遞效率系數(shù)，反映了纖維方向和應力傳遞的影響．此處的體積分數(shù)m?和f?都是指微孔隙，它只是標稱孔隙度(50%)中的很小一部分．文獻[9]確定所研制的羥基磷灰石材料的微孔隙的孔隙率(1～10,μm)約為0.2%．

由文獻[10]依據(jù)羥基磷灰石的孔隙度(50%)和在此孔隙度的彈性模量測量值為 11.17,GPa(見表 2)，可以得Em＝44.7,GPa．

假設認為這些微空間中長滿了組織纖維，對照骨內(nèi)膠原纖維的彈性模量 1～2,GPa[11]或 5,GPa[12]．若取fE＝2,GPa，式(1)是β的線性函數(shù)．圖9給出當β由0增至0.5，微孔隙率p分別等于 0.2%、0.3%、0.5%和 1.0%時的有效彈性模量的變化．可以看出，相對于零孔隙度時的彈性模量(Em＝44.7,GPa)，有效彈性模量均有了明顯的提高．若微孔隙率為 0.2%，彈性模量(對應β由0～0.5)增加1.96～1.48倍；若微孔隙率為0.3%，彈性模量增加 1.94～1.47倍；0.5%時為 1.90～1.45倍；1.0%時1.81～1.40倍．

可以說當軟組織纖維附著到羥基磷灰石表面后或填滿微孔隙后，會明顯增加其表層的彈性模量．這種增強后的復合材料相當于一層薄殼包裹在羥基磷灰石的表面，從而提高了總體材料的剛度．而當軟組織的自身繼續(xù)生長增加時，新的組織纖維在原組織纖維的表層生長就不會再向羥基磷灰石內(nèi)部繼續(xù)生長，即當軟組織纖維長入到羥基磷灰石表面的微孔隙中時會對材料起到增強作用，而纖維在軟組織表層再生長時增強作用就會減弱．所以，盡管80,d時有些孔隙中幾乎充滿了軟組織，但是彈性模量增加的程度仍低于20,d的數(shù)值．

還應指出，植入骨缺損部位的羥基磷灰石與骨接觸的部位會長入骨組織，而與軟組織接觸的部位會長入軟組織．所以，植入的羥基磷灰石最終的力學性質(zhì)既受骨組織的影響也受軟組織的影響．

圖9 不同微孔隙時試樣表面薄層有效彈性模量隨應力傳遞系數(shù)變化曲線Fig.9 Variation of effective Young′s modulus of thin layer on specimen surface versus stress transfer coefficient with different porosities

4 結(jié) 論

(1)羥基磷灰石植入大白鼠皮下 20,d時的彈性模量有明顯增加，增加幅度為 28.83%，之后彈性模量變化幅度不大．

(2)羥基磷灰石彈性模量增加的主要原因是膠原纖維在其微空隙內(nèi)生長導致的．最初的組織纖維附著在羥基磷灰石的微孔中，形成一種復合材料起到了纖維增強的作用，之后軟組織表面再生長的軟組織增強作用會逐漸減弱，因此植入 20,d的羥基磷灰石的彈性模量比植入前有明顯的增加，植入 40,d之后彈性模量相對變化不大．

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