FePt/GO纳米复合材料制备方法及对胫骨骨折患者肢体功能的影响

杨卫周，张银刚，王莹，苏薇，张波波，边卫国，李萌，韩学哲

西安交通大学第一附属医院骨科，陕西西安710061

前言

随着材料医学的不断发展，纳米材料由于其独特的理化性质而被用于骨科中，如磁性纳米颗粒、外部磁场导向药物载体等，均能获得良好的效果［1］。FePt/GO 纳米复合材料属于新型材料，能诱导骨细胞增殖，促进骨折部位愈合，显示出较好的治疗效果［2］。既往研究表明：FePt 纳米颗粒对X 射线有吸收作用，且能抑制相关细胞的增殖［3］。同时，一些无毒的纳米材料，如富勒烯（C60）、氧化石墨烯（GO）被报道具有良好的促进骨折愈合作用。胫骨骨折是临床上发生率较高的骨科疾病，包括胫骨干骨折、胫骨平台骨折两种［4］。切开复位内固定术是胫骨骨折患者中常用的治疗方法，通过实施切开复位及内固定等治疗，虽然能促进骨折部位愈合，但是手术创伤较大，导致患者治疗耐受性较差［5］。因此，本研究以胫骨骨折患者为对象，探讨FePt/GO 纳米复合材料制备方法及对胫骨骨折患者肢体功能的影响，报道如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选择2018年4月～2020年2月西安交通大学第一附属医院骨科收治的胫骨骨折患者124例为对象，随机数字表法分为两组。对照组62例，男36例、女26例，年龄18～64岁，平均（43.69±5.73）岁；病程5 h～4 d，平均（2.15±0.71）d；致伤原因：交通事故伤32例、高处坠落伤20例、跌落伤10例；Schatzker分型：II型25例、III型31例、IV型6例；观察组62例，男34例、女28例，年龄19～65岁，平均（44.11±5.78）岁；病程6 h～5 d，平均（2.18±0.75）d；致伤原因：交通事故伤30例、高处坠落伤21例、跌落伤11例；Schatzker分型：II型23例、III型32例、IV型7例。本研究均获得医院伦理委员会批准，患者/家属均签署知情同意书，两组一般资料比较均无统计意义（P＞0.05）。

1.2 纳入、排除标准

纳入标准：（1）符合胫骨骨折诊断标准［6］，均经X线、CT 检查确诊；（2）符合FePt/GO 纳米复合材料/切口复位内固定术治疗适应证，且患者均可耐受；（3）具有完整的基线资料与随访资料。排除标准：（1）合并精神异常、认知功能异常或伴有自身免疫系统疾病者；（2）恶性肿瘤、严重肝肾功能异常者；（3）凝血功能异常、器质性疾病者。

1.3 方法

1.3.1 FePt/GO纳米复合材料制备采用化学还原法制备FePt/GO纳米复合材料，并采用复合材料进行治疗。（1）采用化学还原法制备FePt/GO纳米复合材料，具体方法如下。①通过改良Hummers法获得GO，在0 ℃水浴下将石墨粉1 g于23 mL混合浓硫酸中，充分搅拌均匀后向获得的混合液中加入高锰酸钾3 g，继续充分搅拌，控制温度为20 ℃；搅拌直到反应为黄绿色，逐渐升高温度为35 ℃，连续完成2 h搅拌；向获得的溶液中加入去离子水46 mL，待水冷却到室温后加入3 mL浓度为30.0%的双氧水，加入浓度为5%的HCL溶液、去离子水，获得中性溶液，获得的沉淀即为GO。②精确称取乙酰丙酮铁0.068 2 g、油酸0.75 mL、油胺0.75 mL，并加入氯铂酸乙醇溶液10 mL，充分振荡混合后连续完成30 min 搅拌。向获得的溶液中加入硼氢化钠溶解在100 mL 无水乙醇中，将获得的溶液加温到40 ℃连续完成1 h反应，离心30 min，速度7 500 r/min，上述操作完毕后清洗、真空干燥，获得FePt纳米颗粒。③精确称取FePt及GO 10 mg放置在无水乙醇50 mL中，常温下搅拌1 h，超声干预4 h，离心20 min，速度为10 000 r/min，获得FePt/GO 纳米复合材料，见图1［7-8］。

图1 FePt/GO纳米复合材料透射电子显微镜图像Fig.1 Transmission electron microscope image of FePt/GO nanocomposite

1.3.2 治疗方法对照组：采用切开复位内固定术治疗。术前完善有关检查，向患者/家属讲解胫骨骨折相关知识，包括骨折的原因、临床表现、治疗方法等，提高患者治疗配合度。所有患者均拟行全身麻醉，待麻醉生效后进行常规消毒、铺巾。在患者膝关节前外侧/内侧作长为8～10 cm的手术切口，充分暴露胫骨平台及胫骨上端，将关节囊切开，并在直视下进行复位，上述操作完毕后采用钢板螺钉进行内固定；对于伴有半月板及韧带损伤者，完成损伤修复［7］。观察组：采用复合材料对胫骨骨折患者进行治疗，所有患者均拟行全身麻醉，待麻醉生效后进行常规消毒、铺巾。协助患者保持平卧位姿势，并在膝前外侧、后内侧作手术切口，保证两切口皮桥＞7 cm，充分暴露胫骨骨折部位、膝关节，完成血肿、碎骨的处理。在膝前外侧、后内侧完成外侧、内侧踝骨折复位，并给予克氏针完成临时固定，采用顶棒托起压缩骨折，进一步确定骨折的复位情况；对于伴有韧带、半月板损伤患者完成相应的修复处理（保证其与关节面齐平）；对于塌陷关节完成复位，必要时可给予自体骨填塞。上述操作完毕后内侧切口给予FePt/GO纳米复合材料进行固定，由外到内侧置入FePt/GO纳米复合材料钢板完成内固定治疗，并给予C臂X线完成闭合复位。术后7 d对患者效果进行评估，术后完成6个月随访。

1.4 观察指标

（1）性能测试及表征。采用美国铂金埃尔默仪器有限公司的Spectrum1-B 型红外光谱仪进行测试，设定分辨率为0.5 cm，样品为热压支撑的药膜［9］。（2）X射线衍射分析。采用D/max3B型X射线衍射仪（购自于日本力学公司），对未经处理的GO、经有机化处理的GO 及FePt/GO 纳米复合材料进行测试，设定扫描速度为4°/min，管电压40.0 kV，管电流25 mA［10］。（3）力学性能测定。采用力学测定仪对制备的FePt/GO 纳米复合材料拉伸性能及弯曲性能进行测定［11］。（4）肢体功能、膝关节活动度。两组手术前、术后6个月采用踝关节评分Kofoed 量表分别从疼痛（50 分）、功能（30分）及活动度（20分）对患者肢体功能进行评估，分值越高，肢体功能越佳；两组术前、术后6 个月均拟行X 线检查，记录患者胫骨平台内翻角（TPA）及内侧后倾角（PA）度数［12］。

1.5 统计学分析

采用SPSS18.0软件处理，计数资料行χ2检验，采用n（%）表示，计量资料行t检验，采用均数±标准差表示，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 FePt/GO纳米复合材料红外光谱仪结果分析

红外光谱仪测定结果表明：位于3 448 cm-1部位的吸收峰对应于GO的OH伸缩振动；而位于1 710 cm-1部位的普峰对应于GO层边缘部分的C=O伸缩振动，位于1 631 cm-1处较强的谱峰对应于水分子变形振动的吸收峰谱，使得GO溶于与水分子形成氢键，具有良好的吸收性，见图2。

图2 FePt/GO纳米复合材料红外光谱仪结果分析Fig.2 Analysis of FePt/GO nanocomposite by infrared spectrometer

2.2 FePt/GO纳米复合材料X射线衍射分析结果

X 射线衍射分析结果表明：FePt/GO 纳米复合材料在10°～20°之间出现宽峰为FePt 材料的弥散峰；而在6°～15°出现的宽峰为GO 材料的弥散峰，说明GO晶体结构消失，但是复合材料中存在少量完全被氧化的石墨衍射峰，见图3。

图3 FePt/GO纳米复合材料X射线衍射分析结果Fig.3 X-ray diffraction analysis results of FePt/GO nanocomposite

2.3 复合材料的拉伸及弯曲特性

拉伸及弯曲特性结构表明：FePt/GO纳米复合材料中随着GO浓度的升高，拉伸特性降低；聚丙烯酸丁酯（PBA）份数为10 份时拉伸强度比纯样品拉伸强度46.73 MPa 下降18%；而复合材料的弯曲特性随着GO含量增加而增加，见图4。

2.4 两组肢体功能、膝关节活动度比较

两组术前肢体功能、膝关节活动度无统计意义（P＞0.05）；两组术后6 个月疼痛、功能、活动度评分及TPA 和PA 度数均高于术前（P＜0.05）；观察组术后6个月疼痛、功能、活动度评分及TPA和PA度数均高于对照组（P＜0.05），见表1。

3 讨论

切开复位内固定术是胫骨骨折患者中常用的治疗方法，虽然能改善患者症状，但是手术创伤较大，风险性较高，患者术后肢体功能恢复效果亦相对较长。近年来，随着我国材料学的不断发展，FePt/GO纳米复合材料开始用于临床，并取得良好效果。本研究中，观察组术后6个月疼痛、功能、活动度评分及TPA和PA度数均高于对照组（P＜0.05），提示FePt/GO纳米复合材料能改善胫骨骨折患者肢体功能，有助于提升活动度。FePt/GO纳米复合材料是一种新型的骨折固定材料，该材料不仅具有良好的生物活性，亦具有较好的骨传导作用，能为新骨的形成提供支架，且在与骨组织的接口、材料内口表面均能获得新的骨组织生存［13］。既往研究表明：FePt/GO纳米复合材料具有较强的生物兼容性、生物腐蚀性与骨传导作用，能选择吸收移植部位附近的钙，发挥良好的生物学作用［14］。FePt/GO纳米复合材料通过化学还原法成功制备，具有与天然松质骨类似的三维孔洞网络结构，植入人体后数周种植部位周围能生长出多种新生的骨细胞。既往研究表明：骨组织工程材料用于胫骨骨折患者中，亦需要考虑骨传导性，FePt/GO纳米复合材料具有良好的骨传导性，能引导、促进骨形成，且该材料植入人体后安全性较高，有助于提高患者手术治疗耐受性、依从性［15］。本研究中，FePt/GO纳米复合材料在10°～20°之间出现宽峰为FePt材料的弥散峰；而在6°～15°出现的宽峰为GO材料的弥散峰；FePt/GO纳米复合材料中随着GO浓度的升高，拉伸特性降低；PBA份数为10份时拉伸强度比纯样品拉伸强度46.73 MPa下降18%；而复合材料的弯曲特性随着GO含量增加而增加，提示FePt/GO纳米复合材料用于胫骨骨折患者中具有良好的理化性能，利于患者恢复。

综上所述，采用化学还原法成功制备FePt/GO纳米复合材料，且制备材料具有良好的理化性能，用于胫骨骨折患者中有助于改善患者肢体功能及关节活动度，能为胫骨骨折治疗提供新的材料。

图4 复合材料的拉伸及弯曲特性Fig.4 Tensile and bending properties of the composite

表1 两组肢体功能、膝关节活动度比较（±s）Tab.1 Comparison of limb function and knee joint range of motion between two groups(Mean±SD)

表1 两组肢体功能、膝关节活动度比较（±s）Tab.1 Comparison of limb function and knee joint range of motion between two groups(Mean±SD)

a：与对照组比较，P＜0.05；b：与手术前比较，P＜0.05

组别观察组（n=62）对照组（n=62）手术前术后6个月手术前术后6个月疼痛/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活动度/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