骨软骨一体支架材料的生物力学性能研究

孙小莉 汤晓阳 郭艳 张娟丽 王冬梅 ＊ 吴建 张伟 陈婷婷

1 河南省医疗器械检验所 （河南 郑州 450003）2 郑州大学公共卫生学院 （河南 郑州 450001）

内容提要： 目的：为研究骨软骨一体支架材料的力学性能。方法：通过Zwick/Roell2030万能实验机对本课题组采用化学交联和物理交联制备的两组骨软骨一体支架材料进行轴向压缩、3点弯曲实验。结果：轴向压缩实验结果表明：化学交联制备的一体支架在轴向抗压缩和外抗断裂方面略高于物理交联制备的一体支架。3点弯曲实验结果表明：化学交联制备的一体支架的弯曲刚度、弯曲强度、弯曲最大力和弯曲断裂功等四项指标均高于物理交联制备的一体支架。结论：这与骨软骨一体支架材料的制备方式有关，化学交联的骨软骨一体支架材料中化学键的链接造成了骨软骨一体支架材料优异的生物力学性能。

因创伤等疾病引起的关节软骨病变是骨科常见的疾病。关节软骨没有血管组织，它自身的修复能力有限，软骨细胞的营养来源为关节滑液及细胞周围基质通过无氧酵解。促进关节软骨自身修复并重建关节功能是当今世界面临的临床难题之一[1]。组织工程学的发展，支架材料为软骨的重建和修复提供了新的途径。

脱细胞组织基质在去除组织的移植免疫原性的同时获得一种无免疫排斥的组织替代物。软骨组织由于其较致密，脱细胞试剂不容易渗入，脱细胞困难，国际上对此研究较少。目前国内虽然有关软骨细胞外基质构筑的支架多为单层支架仅用于修复软骨缺损，而基于软骨细胞外基质用于修复骨软骨联合缺损的双层或多层支架却鲜有报道。截止目前，仅有解放军总医院的杨强以犬软骨细胞外基质和犬脱细胞骨研制出修复骨软骨联合缺损的双层支架；山西大学杜美丽采用聚羟基丁酸与羟基辛酸为基础材料，以磷酸三钙（TCP）为辅助材料，制备出软骨层/过渡层/硬骨层一体化支架；上海大学韩振中以明胶/壳聚糖为软骨层材料、以明胶/壳聚糖和海藻酸钠/磷酸三钙（TCP）为过渡层、以聚乳酸/磷酸三钙为硬骨层通过3D打印技术复合成一体支架。但是对于上述这几种支架仍处于研究阶段，未应用于临床[2-4]。因此，研究基于脱细胞组织基质可临床应用的骨软骨组织工程一体支架产品，将具有巨大的临床应用前景以及产生不菲的经济效益。

本研究以兔脱细胞松质骨为骨软骨组织工程一体支架的硬骨层，以兔软骨细胞外基质复合丝素蛋白为软骨层，采用冷冻—干燥法制备一体支架，这有别于已经报道的一体支架产品，因此其可能在修复骨缺损时表现出优异的疗效。所以，笔者通过生物力学实验手段对采用化学交联和物理交联制备的两组骨软骨组织工程一体支架的力学性能进行了研究。

1.材料与方法

1.1 一般材料

实验材料：本课题组采用化学交联（A组）和物理交联（B组）的两组骨软骨组织工程一体支架。

仪器设备：Zwick/Roell2030万能实验机（Zwick/Roell，德国）。

1.2 方法

生物力学试验：轴向压缩实验、3点弯曲试验。

轴向压缩实验：将骨软骨组织工程一体支架固定并嵌入试验机卡槽中，以0.5mm/min恒定速度加载，于各位移点可得到相应的压力值，自动打印实验数据。抗压刚度是反映标本本身抗压缩的指标。

3点弯曲试验：按3点弯曲实验夹具装夹骨软骨组织工程一体支架于合适位置并装接应变片，然后再以0.5mm/min恒定速度均匀缓慢加载至其断裂，自动打印实验数据。3点弯曲实验实际上包括了拉应力、压应力和剪应力。最大应力值是反映标本抗弯曲强度的指标，弯曲刚度则是反映标本本身抗弯曲的指标。

2.结果

2.1 轴向压缩实验结果

轴向压缩实验结果见表1。

表2.3点弯曲实验结果(±s)

表2.3点弯曲实验结果(±s)

images/BZ_28_213_2230_2304_2287.png组别 弯曲刚度(kN/mm2) 弯曲强度(N/mm2) 弯曲最大力(N) 弯曲断裂力(N/mm)A组 14.11±1.04 110.52±101.61 47.75±14.66 16.55±5.89

2.2 3点弯曲实验结果

3点弯曲实验结果见表2。

表1.轴向压缩实验结果(±s)

表1.轴向压缩实验结果(±s)

组别 压缩刚度(kN/mm2) 断裂最大力(N)A组 3.11±1.01 78.49±25.63 B组 2.51±1.22 64.47±17.85

3.讨论

从轴向压缩实验可知，化学交联制备的一体支架在轴向抗压缩和外抗断裂方面略高于物理交联制备的一体支架，这可能是由于材料利用化学交联法制备的骨软骨一体支架材料具有有序紧密的三维结构，不同层之间的材料通过化学键结合的更为牢固，从而导致化学交联制备的一体支架在轴向抗压缩和外抗断裂方面略高于物理交联制备的一体支架。同样从3点弯曲试验结果亦可知，化学交联制备的一体支架其弯曲刚度、弯曲强度、弯曲最大力和弯曲断裂功等四项指标均高于物理交联制备的一体支架，因此在后期进行动物实验时应采用化学交联制备的一体支架，其良好的力学特性，能与组织植入部位的力学要求相匹配，三维结构更适合细胞黏附、增生和分化的表面化学特性，更有利于骨缺损愈合。

通过对化学交联和物理交联制备的两组骨软骨一体支架材料进行轴向压缩、3点弯曲实验研究，说明化学交联制备的一体支架具有良好的力学特性，是一种良好的骨软骨一体支架材料。