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载阿仑膦酸钠超高分子量聚乙烯磨屑研究

作　者: 白银龙
导　师: 屈树新
学　校: 西南交通大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 超高分子量聚乙烯阿仑膦酸钠磨屑药物释放巨噬细胞成骨细胞
分类号: TQ325.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 27次
引　用: 2次
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内容摘要

超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene. UHMWPE)以其优异的性质被用作于人工关节假体的组件材料之一,但磨损产生的磨屑,尤其是UHMWPE磨屑,易引起假体周围组织骨溶解并最终导致假体松动,成为限制人工关节假体使用寿命的最主要因素。目前延长人工髋关节使用寿命的主要措施包括提高UHMWPE的耐磨性、更换对磨副材料、药物防治骨溶解等,本课题组将抑制骨溶解的药物阿仑膦酸钠(Alendronate, ALN)加入UHMWPE内,前期研究显示加入0.22wt%的ALN在UHMWPE中没有团聚,分布均匀,且并不影响UHMWPE-ALN的力学及摩擦学性能。但与体内人工关节磨损所产生的磨屑类似的UHMWPE-ALN磨屑的制备及特征、载药浓度对UHMWPE-ALN磨屑的体外释放及体外细胞的影响尚不清楚,因此本实验制备了不同粒径和不同载药浓度UHMWPE磨屑、研究其对体外释放及体外细胞的影响。本文通过溶剂挥发法和热压成型法制备了UHMWPE、UHMWPE-0.5% ALN及UHMWPE-1.0% ALN,通过傅里叶红外光谱分析、X射线衍射分析和差示扫描量热法研究了ALN的热稳定性及其对UHMWPE结晶的影响。通过磨屑分级分别得到了<45μmm和45μm～75μm粒径范围的UHMWPE/UHMWPE-ALN磨屑,通过激光粒度分析仪、扫描电镜和血球计数法表征磨屑的粒径、形貌和数目,并采用茚三酮比色法研究不同载药浓度及不同粒径对UHMWPE-ALN磨屑体外释放的影响。应用磷酸盐缓冲液(PBS)挥发法实现了UHMWPE-ALN磨屑与细胞共培养。通过光学及扫描显微镜观察细胞形态,通过噻唑蓝(Methyl thiazolyl tetrazolium, MTT)法考察了载药磨屑对成骨细胞和巨噬细胞的增殖的影响,并通过测定碱性磷酸酶(Alkaline phosphase, ALP)活性考察了载药磨屑对成骨细胞分化的影响,通过酶联接免疫吸附剂测定(Enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)考察了载药磨屑对巨噬细胞的溶骨性细胞因子白介素6(IL-6)和肿瘤坏死因子α(TNF-α)的分泌功能的影响。红外光谱结果显示热压后ALN的红外特征峰没有发生变化,如：1230cm-1～1265cm-1处的P=O伸缩振动、1178cm-1处的C-O伸缩振动、1095cm-1处的C-N伸缩振动,由于在热压过程中失去了三个结晶水导致P=O空间效应的变化,导致P=O特征峰谱带的位移,C-O及C-N特征峰位置没有变化,说明ALN在热压前后保持了结构的稳定,但热压后UHMWPE在1720cm-1处出现了羰基峰,表明热压过程中UHMWPE发生了氧化反应。XRD结果表明,ALN加入并没有改变UHMWPE (110)和(200)晶面特征衍射峰的位置,也没有出现新的衍射峰,但衍射峰强度降低了,说明ALN并没有影响UHMWPE的晶体结构,但降低了UHMWPE的结晶度。DSC结果表明,ALN的加入导致UHMWPE的熔融热焓降低,并引起UHMWPE熔融峰向高温方向偏移,说明ALN加速了UHMWPE的结晶,并降低了UHMWPE的结晶度。激光粒度结果表明,分级后的磨屑平均体积粒径为36.98±1.88μm及66.7±2.61μm,粒径分布较为集中,最小粒径为5μm左右,与人体内磨屑的粒径尺寸有一定的差异。扫描电镜观察显示磨屑形态不规则,有块状、纤维状等,与人体内磨屑形态相似。UHMWPE-ALN磨屑体外释放分为突释阶段、快速释放阶段和缓慢释放阶段。突释阶段主要受磨屑粒径的影响,快速释放阶段主要受载药浓度的影响,缓慢释放阶段释放率趋于一致。UHMWPE-ALN磨屑在37℃的环境下浸泡100天后氧化度由1.29±0.014升至1.33±0.007,没有明显变化,说明UHMWPE没有氧化降解,ALN主要受UHMWPE的溶胀控制缓慢地扩散释放,最终粒径<45μm的UHMWPE-1.0% ALN UHMWPE-0.5% ALN磨屑药物释放率分别为63.90%、49.39%,粒径45μmm～75μm的UHMWPE-1.0% ALN、UHMWPE-0.5% ALN磨屑药物释放率分别为49.77%、38.76%,仍有一部分ALN包裹于UHMWPE磨屑的内部。巨噬细胞、成骨细胞与ALN、UHMWPE-ALN共培养结果显示,在一定浓度范围内(10-6～3×10-6mol/L)ALN可以抑制巨噬细胞的活性,增强成骨细胞的活性及碱性磷酸酶活性,但并不抑制TNF-α及IL-6的分泌。UHMWPE/UHMWPE-ALN磨屑粒径减小,可以降低成骨细胞的分化能力及巨噬细胞的活性,增加TNF-α的分泌。本论文通过试验制备了UHMWPE-ALN磨屑,ALN保持了化学结构的稳定,并能够从磨屑中释放出来作用于巨噬细胞和成骨细胞,具有潜在的抑制骨溶解的作用。但是磨屑尺寸与体内磨屑尺寸差距很大,为了更好地模拟体内磨屑的各种生物学反应,需要改进磨屑制备方法。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-14
第1章绪论  14-24
  1.1 人工髋关节置换术及其存在的问题  14-16
    1.1.1 超高分子量聚乙烯简介  14
    1.1.2 人工髋关节置换术的发展历史及现状  14-16
  1.2 Charnley低摩擦型髋关节假体骨溶解  16-17
  1.3 提高Charnley低摩擦型髋关节远期效果的途径  17-21
    1.3.1 提高UHMWPE耐磨性措施  17-20
    1.3.2 药物预防骨溶解  20-21
  1.4 体外磨屑与细胞培养的研究进展  21-22
    1.4.1 体外磨屑的获取  21
    1.4.2 体外细胞的选择  21-22
    1.4.3 药物的参与方式  22
    1.4.4 体外模型的评价  22
  1.5 本论文的研究目标及主要内容  22-23
  1.6 本论文的技术路线  23-24
第2章载药超高分子量聚乙烯的制备和表征  24-36
  2.1 引言  24
  2.2 试验材料和方法  24-28
    2.2.1 试验材料  24-26
    2.2.2 载药超高分子量聚乙烯的制备  26-27
    2.2.3 载药超高分子量聚乙烯的表征  27-28
  2.3 试验结果与讨论  28-34
    2.3.1 载药超高分子量聚乙烯的制备  28-30
    2.3.2 红外光谱分析  30-32
    2.3.3 X射线衍射分析  32-33
    2.3.4 结晶度的测定  33-34
  2.4 小结  34-36
第3章载药超高分子量聚乙烯磨屑的制备与表征  36-44
  3.1 引言  36
  3.2 试验材料和方法  36-37
    3.2.1 载药超高分子量聚乙烯磨屑的制备  36
    3.2.2 不同粒径超高分子量聚乙烯磨屑的制备  36-37
    3.2.3 载药超高分子量聚乙烯磨屑的表征  37
  3.3 试验结果与讨论  37-43
    3.3.1 载药超高分子量聚乙烯磨屑的粒度测试  37-42
    3.3.2 载药超高分子量聚乙烯磨屑的扫描电镜观察  42
    3.3.3 载药超高分子量聚乙烯磨屑的计数  42-43
  3.4 小结  43-44
第4章载药超高分子量聚乙烯磨屑的体外药物释放  44-53
  4.1 引言  44
  4.2 试验材料和方法  44-45
    4.2.1 磷酸盐缓冲液、碳酸氢钠溶液、水合茚三酮溶液的配制  44-45
    4.2.2 不同粒径及载药浓度超高分子量聚乙烯磨屑的体外浸泡  45
  4.3 载药超高分子量聚乙烯磨屑体外释放的表征  45-46
    4.3.1 体外药物释放浓度的检测  45
    4.3.2 载药超高分子量聚乙烯磨屑氧化度测定  45-46
  4.4 试验结果与讨论  46-52
    4.4.1 试验方法可行性考察  46
    4.4.2 标准曲线的制备  46-47
    4.4.3 不同浓度、粒径载药超高分子量聚乙烯磨屑释放率测定  47-51
    4.4.4 载药超高分子量聚乙烯磨屑氧化度测定  51-52
  4.5 小结  52-53
第5章载药超高分子量聚乙烯磨屑的细胞学评价  53-68
  5.1 引言  53
  5.2 试验材料和方法  53-58
    5.2.1 试验材料和仪器  53-54
    5.2.2 试验方法  54-58
  5.3 试验结果与讨论  58-67
    5.3.1 巨噬细胞  58-64
    5.3.2 成骨细胞  64-67
  5.4 小结  67-68
结论  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-80
攻读硕士学位期间发表的论文  80

载阿仑膦酸钠超高分子量聚乙烯磨屑研究

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