PMMA骨水泥的生物活性和抗菌活性研究

【摘要】目的：骨水泥与骨组织界面形成良好的交联对于骨水泥的研发至关重要。将具有生物活性的体外矿化骨胶原蛋白(mineralizedcollagen,MC)添加到聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrymic,PMMA)骨水泥中,探索MC-PMMA的材料学性质、生物安全性和骨组织相容性。探索覆盖当前人工关节置换术后感染(Prosthetic-JointInfectionsPJI)细菌谱的抗生素复合骨水泥(Antibiotic-ImpregnatedBoneCementAIBC)的抗压强度、洗脱特性、抗菌活性,研究两种抗生素联合的AIBC对相关性质的影响。探索常温、避光、γ射线辐照灭菌后保存6月后AIBC的洗脱性质。方法：将MC按不同比例(0%、5.0%、10.0%、15.0%、20.0%(wt/wt))添加到PMMA骨水泥中,检测其抗压强度和抗压模量,选择最佳配比研究其凝固性能。在MC与PMMA按照15.0%(wt)复合比例下,按照ISO10993和GB/T16886方法,检测MC-PMMA的生物安全性。将MC-PMMA包埋到新西兰兔股骨内侧髁,分别于4周、12周、24周行Micro-CT、组织切片观察骨组织相容性。将MG63细胞与MC-PMMA体外共培养7天、14天,检测骨粘连蛋白(SPARC)、胶原蛋白1(CollAl)、骨涎蛋白(1BSP)、骨钙素(BGLAP)基因表达差异。抗菌活性研究为体外实验,以PalacosMV为载药骨水泥,分别与万古霉素(Vanc)、庆大霉素(Gent)、美罗培南(Mero)以1.25%、2.50%、5.00%、10.00%比例复合,同时与万古霉素十庆大霉素(VaGe)、万古霉素十美罗培南(VaMe)以5.00%抗生素比例复合,制成Φ6×12mm圆柱形元件。检测元件的抗压强度。体外洗脱,测1h、6h、12h、24h、7天、14天、21天、28天洗脱液的抗生素浓度。以金黄色葡萄球菌(MRSA)、粪肠球菌、大肠杆菌(ESBL+)检测AIBC元件的抗菌活性。将5.00%的Vanc-AIBC、Gent-AIBC和Mero-AIBC在常温、避光、Y射线辐照灭菌后保存3月、6月后,分别测AIBC的洗脱性质。结果：15.0%(wt)复合比例的MC-PMMA抗压强度为89.30±5.26MPA,压缩模量为1.21±0.12Gpa,表现为最佳力学性质。凝固性能研究发现15.0%(wt)复合比例的MC-PMMA不影响骨水泥操作性能。按照ISO10993和GB/T16886标准,MC-PMMA在体外细胞毒性实验、血液相容性实验、急性全身毒性实验、慢性肝肾毒性实验、植入后局部反应实验中均无毒性反应。兔股骨内侧髁包埋后4、12、24周,MC-PMMA组骨组织-骨水泥界面形成良好交联,骨组织长入比例分别为7.24±4.46%、10.95±6.34%、14.42±9.72%,均高于同期C-PMMA组(同期分别为2.57±1.31%、2.88±1.20%、3.14±1.65%),差异有统计学意义(p<0.05)。第4、12、24周,骨组织亲和指数分别为13.10士1.52%、25.63±138%、34.96±2.33%,高于同期C-PMMA组(同期分别为8.94±1.47%、12.21±1.56%、12.62±1.42%),差异有统计学意义(p<0.05)。MC-PMMA与MG63细胞共培养7天和14天,SPARC、CollA1、IBSP表达量组均高于C-PMMA组,差异有统计学意义(p<0.05)。BGLAP表达量在第7天、14天时,MC-PMMA组均低于C-PMMA组,差异有统计学意义(p<0.05)。不同种类AIBC均随着抗生素复合比例的增加,抗压强度降低,当复合比例达10.00%时,抗压强度降低至70MPa左右。抗生素洗脱速度随着复合比例的增加而增加,不同抗生素不同配比AIBC洗脱曲线基本符合指数拟合。Vanc-、Mero-、Gent-AIBC在28天后洗脱比例分别为3.74-7.10%、2.23-5.22%、2.43-4.59%、VaMe-AIBCVanc、Mero洗脱比例均增加(分别为7.96%Vs5.25%(p<0.001)、2.86%Vs2.70%(p=0.038))。VaGe-AIBCVanc洗脱比例降低(4.09%Vs5.25%,p<0.001),Gent洗脱比例变化不大(4.09%Vs4.08%,p=0.957)。各组AIBC均不改变抗生素抗菌谱及抗菌活性,VaGe-AIBC、VaMe-AIBC能覆盖全部细菌。5.00%的Vanc-AIBC、Gent-AIBC和Mero-AIBC在常温、避光、γ射线辐照灭菌后保存3个月、6个月后,不影响洗脱性质。结论：15%复合比例的MC-PMMA显著降低压缩模量,同时不影响抗压强度和凝固性能。MC-PMMA骨水泥体外和体内生物安全性良好,在植入兔股骨远端后,骨组织-骨水泥界面交联显著高于C-PMMA。基因表达检测发现,MC-PMMA组IBSP、SPARC、CollA1基因表达增高,MC-PMMA具有一定促进骨形成的生物活性。使用Vanc-、Gent-、Mero-AIBC预防或治疗PJI时,抗生素质量分数不应超过5%,否则可能会使得AIBC达不到所需要的抗压强度。AIBC在28天内可有效释放抗生素达有效浓度,VaMe-AIBC促进Vanc释放,VaGe-AIBC抑制Vanc释放。VaMe-AIBC洗脱特性及抗菌活性最佳,在治疗PJI时应考虑使用。Vanc-AIBC、Gent-AIBC和Mero-AIBC在常温、避光、γ射线辐照灭菌后保存3个月、6个月,不影响抗生素洗脱特性。
【作者】李涛；
【导师】翁习生；
【作者基本信息】北京协和医学院，临床医学，2014，博士
【关键词】矿化骨胶原；骨水泥；生物活性；抗生素复合骨水泥；贮存；

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