FePt/GO納米復(fù)合材料制備方法及對脛骨骨折患者肢體功能的影響

楊衛(wèi)周，張銀剛，王瑩，蘇薇，張波波，邊衛(wèi)國，李萌，韓學(xué)哲

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，陜西西安710061

前言

隨著材料醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，納米材料由于其獨特的理化性質(zhì)而被用于骨科中，如磁性納米顆粒、外部磁場導(dǎo)向藥物載體等，均能獲得良好的效果［1］。FePt/GO 納米復(fù)合材料屬于新型材料，能誘導(dǎo)骨細(xì)胞增殖，促進骨折部位愈合，顯示出較好的治療效果［2］。既往研究表明：FePt 納米顆粒對X 射線有吸收作用，且能抑制相關(guān)細(xì)胞的增殖［3］。同時，一些無毒的納米材料，如富勒烯（C60）、氧化石墨烯（GO）被報道具有良好的促進骨折愈合作用。脛骨骨折是臨床上發(fā)生率較高的骨科疾病，包括脛骨干骨折、脛骨平臺骨折兩種［4］。切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)是脛骨骨折患者中常用的治療方法，通過實施切開復(fù)位及內(nèi)固定等治療，雖然能促進骨折部位愈合，但是手術(shù)創(chuàng)傷較大，導(dǎo)致患者治療耐受性較差［5］。因此，本研究以脛骨骨折患者為對象，探討FePt/GO 納米復(fù)合材料制備方法及對脛骨骨折患者肢體功能的影響，報道如下。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選擇2018年4月～2020年2月西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科收治的脛骨骨折患者124例為對象，隨機數(shù)字表法分為兩組。對照組62例，男36例、女26例，年齡18～64歲，平均（43.69±5.73）歲；病程5 h～4 d，平均（2.15±0.71）d；致傷原因：交通事故傷32例、高處墜落傷20例、跌落傷10例；Schatzker分型：II型25例、III型31例、IV型6例；觀察組62例，男34例、女28例，年齡19～65歲，平均（44.11±5.78）歲；病程6 h～5 d，平均（2.18±0.75）d；致傷原因：交通事故傷30例、高處墜落傷21例、跌落傷11例；Schatzker分型：II型23例、III型32例、IV型7例。本研究均獲得醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，患者/家屬均簽署知情同意書，兩組一般資料比較均無統(tǒng)計意義（P＞0.05）。

1.2 納入、排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）符合脛骨骨折診斷標(biāo)準(zhǔn)［6］，均經(jīng)X線、CT 檢查確診；（2）符合FePt/GO 納米復(fù)合材料/切口復(fù)位內(nèi)固定術(shù)治療適應(yīng)證，且患者均可耐受；（3）具有完整的基線資料與隨訪資料。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）合并精神異常、認(rèn)知功能異常或伴有自身免疫系統(tǒng)疾病者；（2）惡性腫瘤、嚴(yán)重肝腎功能異常者；（3）凝血功能異常、器質(zhì)性疾病者。

1.3 方法

1.3.1 FePt/GO納米復(fù)合材料制備采用化學(xué)還原法制備FePt/GO納米復(fù)合材料，并采用復(fù)合材料進行治療。（1）采用化學(xué)還原法制備FePt/GO納米復(fù)合材料，具體方法如下。①通過改良Hummers法獲得GO，在0 ℃水浴下將石墨粉1 g于23 mL混合濃硫酸中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笙颢@得的混合液中加入高錳酸鉀3 g，繼續(xù)充分?jǐn)嚢?，控制溫度?0 ℃；攪拌直到反應(yīng)為黃綠色，逐漸升高溫度為35 ℃，連續(xù)完成2 h攪拌；向獲得的溶液中加入去離子水46 mL，待水冷卻到室溫后加入3 mL濃度為30.0%的雙氧水，加入濃度為5%的HCL溶液、去離子水，獲得中性溶液，獲得的沉淀即為GO。②精確稱取乙酰丙酮鐵0.068 2 g、油酸0.75 mL、油胺0.75 mL，并加入氯鉑酸乙醇溶液10 mL，充分振蕩混合后連續(xù)完成30 min 攪拌。向獲得的溶液中加入硼氫化鈉溶解在100 mL 無水乙醇中，將獲得的溶液加溫到40 ℃連續(xù)完成1 h反應(yīng)，離心30 min，速度7 500 r/min，上述操作完畢后清洗、真空干燥，獲得FePt納米顆粒。③精確稱取FePt及GO 10 mg放置在無水乙醇50 mL中，常溫下攪拌1 h，超聲干預(yù)4 h，離心20 min，速度為10 000 r/min，獲得FePt/GO 納米復(fù)合材料，見圖1［7-8］。

圖1 FePt/GO納米復(fù)合材料透射電子顯微鏡圖像Fig.1 Transmission electron microscope image of FePt/GO nanocomposite

1.3.2 治療方法對照組：采用切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)治療。術(shù)前完善有關(guān)檢查，向患者/家屬講解脛骨骨折相關(guān)知識，包括骨折的原因、臨床表現(xiàn)、治療方法等，提高患者治療配合度。所有患者均擬行全身麻醉，待麻醉生效后進行常規(guī)消毒、鋪巾。在患者膝關(guān)節(jié)前外側(cè)/內(nèi)側(cè)作長為8～10 cm的手術(shù)切口，充分暴露脛骨平臺及脛骨上端，將關(guān)節(jié)囊切開，并在直視下進行復(fù)位，上述操作完畢后采用鋼板螺釘進行內(nèi)固定；對于伴有半月板及韌帶損傷者，完成損傷修復(fù)［7］。觀察組：采用復(fù)合材料對脛骨骨折患者進行治療，所有患者均擬行全身麻醉，待麻醉生效后進行常規(guī)消毒、鋪巾。協(xié)助患者保持平臥位姿勢，并在膝前外側(cè)、后內(nèi)側(cè)作手術(shù)切口，保證兩切口皮橋＞7 cm，充分暴露脛骨骨折部位、膝關(guān)節(jié)，完成血腫、碎骨的處理。在膝前外側(cè)、后內(nèi)側(cè)完成外側(cè)、內(nèi)側(cè)踝骨折復(fù)位，并給予克氏針完成臨時固定，采用頂棒托起壓縮骨折，進一步確定骨折的復(fù)位情況；對于伴有韌帶、半月板損傷患者完成相應(yīng)的修復(fù)處理（保證其與關(guān)節(jié)面齊平）；對于塌陷關(guān)節(jié)完成復(fù)位，必要時可給予自體骨填塞。上述操作完畢后內(nèi)側(cè)切口給予FePt/GO納米復(fù)合材料進行固定，由外到內(nèi)側(cè)置入FePt/GO納米復(fù)合材料鋼板完成內(nèi)固定治療，并給予C臂X線完成閉合復(fù)位。術(shù)后7 d對患者效果進行評估，術(shù)后完成6個月隨訪。

1.4 觀察指標(biāo)

（1）性能測試及表征。采用美國鉑金埃爾默儀器有限公司的Spectrum1-B 型紅外光譜儀進行測試，設(shè)定分辨率為0.5 cm，樣品為熱壓支撐的藥膜［9］。（2）X射線衍射分析。采用D/max3B型X射線衍射儀（購自于日本力學(xué)公司），對未經(jīng)處理的GO、經(jīng)有機化處理的GO 及FePt/GO 納米復(fù)合材料進行測試，設(shè)定掃描速度為4°/min，管電壓40.0 kV，管電流25 mA［10］。（3）力學(xué)性能測定。采用力學(xué)測定儀對制備的FePt/GO 納米復(fù)合材料拉伸性能及彎曲性能進行測定［11］。（4）肢體功能、膝關(guān)節(jié)活動度。兩組手術(shù)前、術(shù)后6個月采用踝關(guān)節(jié)評分Kofoed 量表分別從疼痛（50 分）、功能（30分）及活動度（20分）對患者肢體功能進行評估，分值越高，肢體功能越佳；兩組術(shù)前、術(shù)后6 個月均擬行X 線檢查，記錄患者脛骨平臺內(nèi)翻角（TPA）及內(nèi)側(cè)后傾角（PA）度數(shù)［12］。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS18.0軟件處理，計數(shù)資料行χ2檢驗，采用n（%）表示，計量資料行t檢驗，采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 FePt/GO納米復(fù)合材料紅外光譜儀結(jié)果分析

紅外光譜儀測定結(jié)果表明：位于3 448 cm-1部位的吸收峰對應(yīng)于GO的OH伸縮振動；而位于1 710 cm-1部位的普峰對應(yīng)于GO層邊緣部分的C=O伸縮振動，位于1 631 cm-1處較強的譜峰對應(yīng)于水分子變形振動的吸收峰譜，使得GO溶于與水分子形成氫鍵，具有良好的吸收性，見圖2。

圖2 FePt/GO納米復(fù)合材料紅外光譜儀結(jié)果分析Fig.2 Analysis of FePt/GO nanocomposite by infrared spectrometer

2.2 FePt/GO納米復(fù)合材料X射線衍射分析結(jié)果

X 射線衍射分析結(jié)果表明：FePt/GO 納米復(fù)合材料在10°～20°之間出現(xiàn)寬峰為FePt 材料的彌散峰；而在6°～15°出現(xiàn)的寬峰為GO 材料的彌散峰，說明GO晶體結(jié)構(gòu)消失，但是復(fù)合材料中存在少量完全被氧化的石墨衍射峰，見圖3。

圖3 FePt/GO納米復(fù)合材料X射線衍射分析結(jié)果Fig.3 X-ray diffraction analysis results of FePt/GO nanocomposite

2.3 復(fù)合材料的拉伸及彎曲特性

拉伸及彎曲特性結(jié)構(gòu)表明：FePt/GO納米復(fù)合材料中隨著GO濃度的升高，拉伸特性降低；聚丙烯酸丁酯（PBA）份數(shù)為10 份時拉伸強度比純樣品拉伸強度46.73 MPa 下降18%；而復(fù)合材料的彎曲特性隨著GO含量增加而增加，見圖4。

2.4 兩組肢體功能、膝關(guān)節(jié)活動度比較

兩組術(shù)前肢體功能、膝關(guān)節(jié)活動度無統(tǒng)計意義（P＞0.05）；兩組術(shù)后6 個月疼痛、功能、活動度評分及TPA 和PA 度數(shù)均高于術(shù)前（P＜0.05）；觀察組術(shù)后6個月疼痛、功能、活動度評分及TPA和PA度數(shù)均高于對照組（P＜0.05），見表1。

3 討論

切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)是脛骨骨折患者中常用的治療方法，雖然能改善患者癥狀，但是手術(shù)創(chuàng)傷較大，風(fēng)險性較高，患者術(shù)后肢體功能恢復(fù)效果亦相對較長。近年來，隨著我國材料學(xué)的不斷發(fā)展，F(xiàn)ePt/GO納米復(fù)合材料開始用于臨床，并取得良好效果。本研究中，觀察組術(shù)后6個月疼痛、功能、活動度評分及TPA和PA度數(shù)均高于對照組（P＜0.05），提示FePt/GO納米復(fù)合材料能改善脛骨骨折患者肢體功能，有助于提升活動度。FePt/GO納米復(fù)合材料是一種新型的骨折固定材料，該材料不僅具有良好的生物活性，亦具有較好的骨傳導(dǎo)作用，能為新骨的形成提供支架，且在與骨組織的接口、材料內(nèi)口表面均能獲得新的骨組織生存［13］。既往研究表明：FePt/GO納米復(fù)合材料具有較強的生物兼容性、生物腐蝕性與骨傳導(dǎo)作用，能選擇吸收移植部位附近的鈣，發(fā)揮良好的生物學(xué)作用［14］。FePt/GO納米復(fù)合材料通過化學(xué)還原法成功制備，具有與天然松質(zhì)骨類似的三維孔洞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，植入人體后數(shù)周種植部位周圍能生長出多種新生的骨細(xì)胞。既往研究表明：骨組織工程材料用于脛骨骨折患者中，亦需要考慮骨傳導(dǎo)性，F(xiàn)ePt/GO納米復(fù)合材料具有良好的骨傳導(dǎo)性，能引導(dǎo)、促進骨形成，且該材料植入人體后安全性較高，有助于提高患者手術(shù)治療耐受性、依從性［15］。本研究中，F(xiàn)ePt/GO納米復(fù)合材料在10°～20°之間出現(xiàn)寬峰為FePt材料的彌散峰；而在6°～15°出現(xiàn)的寬峰為GO材料的彌散峰；FePt/GO納米復(fù)合材料中隨著GO濃度的升高，拉伸特性降低；PBA份數(shù)為10份時拉伸強度比純樣品拉伸強度46.73 MPa下降18%；而復(fù)合材料的彎曲特性隨著GO含量增加而增加，提示FePt/GO納米復(fù)合材料用于脛骨骨折患者中具有良好的理化性能，利于患者恢復(fù)。

綜上所述，采用化學(xué)還原法成功制備FePt/GO納米復(fù)合材料，且制備材料具有良好的理化性能，用于脛骨骨折患者中有助于改善患者肢體功能及關(guān)節(jié)活動度，能為脛骨骨折治療提供新的材料。

圖4 復(fù)合材料的拉伸及彎曲特性Fig.4 Tensile and bending properties of the composite

表1 兩組肢體功能、膝關(guān)節(jié)活動度比較（±s）Tab.1 Comparison of limb function and knee joint range of motion between two groups(Mean±SD)

表1 兩組肢體功能、膝關(guān)節(jié)活動度比較（±s）Tab.1 Comparison of limb function and knee joint range of motion between two groups(Mean±SD)

a：與對照組比較，P＜0.05；b：與手術(shù)前比較，P＜0.05

組別觀察組（n=62）對照組（n=62）手術(shù)前術(shù)后6個月手術(shù)前術(shù)后6個月疼痛/分34.69±5.45 48.52±1.34ab 34.72±5.48 40.11±3.26b功能/分21.24±4.39 27.45±4.62ab 21.26±4.42 23.49±4.57b活動度/分14.39±2.15 17.43±2.56ab 14.41±2.17 15.69±2.32b TPA/°75.45±4.38 87.43±5.81ab 75.47±4.40 80.32±5.24b PA/°6.01±0.69 7.57±0.72ab 6.02±0.71 6.78±0.72b