含锶磷酸钙人工骨调控血管化和骨生成的机制及其在修复股骨头坏死中的应用

Osteonecrosis of the femoral head (ONFH) is a common high morbidity disease in clinic. And the therapeutic mechanism for ONFH is to improve the blood supply in the femoral head, promote new bone formation, support and correct femoral head collapse. However, there is still no effective way to compeletely repair ONFH. Our previous study confirmed that Calcium phosphate-Starch-Barium sulfate composite artificial bone system showed great injectability and mechanical properties, biocompatibility in vivo, and that the ability to osteoinduction and osteogenesis. Meanwhile, pre-trials revealed that strontium ions take congenerous effects on promoting osteogenesis and vascularization. As a consequence, we propose: degradable strontium-contained artificial bone system is expected to synergetically facilitate osteogenesis and vascularization, as well as to hold mechanical strength through matching between degradation and bone ingrowth, which is probably applied to ONFH reconstruction. This research is about to initiate for the artificial bone from the operational performance, mechanical properties in vitro to biocompatibility in vivo. The mechanism of vascularization and osteogenesis would be clarified depending on co-culture cell experiment when the actual effects of composite artificial bone on the ONFH reconstruction will be verified by animal experiments. The research results will help to clarify the mechanism of bone regeneration and vascularization in strontium-contained calcium phosphate composite system, therefore providing guidance to design the artificial bone materials and experiment basis in OFNH reconstruction and bone defect repairment.

股骨头坏死是骨科临床常见高致残率疾病，其治疗的原理是改善股骨头内的血液供应，促进新骨形成，支撑并纠正股骨头塌陷。但目前仍缺乏全面修复坏死股骨头的有效方法。我们前期研究证明磷酸钙-淀粉-硫酸钡复合人工骨具备良好的注射性和力学性能、体内生物相容性和骨诱导、骨结合能力；预实验发现锶离子具有同时促进成骨和血管化的作用。据此提出科学假说：可降解的含锶复合人工骨材料可以协同促进骨生成和血管化，并通过材料降解和骨长入的匹配维持其力学强度，因此能够用于股骨头坏死的修复。本项目拟从复合人工骨的操作性能、力学性能、体外和体内生物相容性入手，利用细胞共培养实验明确其促血管化和骨生成的机制，并通过动物实验验证复合人工骨对股骨头坏死修复的实际效果。研究成果将有助于明确活性人工骨材料促进骨再生和血管化的机理，为股骨头坏死及骨缺损修复提供新的材料设计思路和实验基础。

股骨头坏死是由不同原因导致的股骨头血供中断或受损，引起骨细胞及骨髓成分死亡及随后的修复，继而导致股骨头结构改变、股骨头塌陷、关节功能障碍的一种疾病。近年来发病年龄趋于年轻化，严重影响了患者的生活质量。本项目针对股骨头坏死早中期，股骨头关节坍塌、血运中断和骨细胞坏死等实际临床治疗问题展开研究，制备了“含锶复合磷酸钙人工骨体系，可以对股骨头提供力学支撑、并促进血管化和骨生成”。首先，探索了锶离子对磷酸钙骨水泥影响，并得到最优组合，对其力学性能、固化性能、注射性能与溃散行为、以及体外降解行为进行了全面研究；其次，系统研究了复合人工骨材料对成骨细胞增殖的影响、并通过ALP染色及茜素红染色观察细胞碱性磷酸酶分泌、钙结节沉积情况，并通过PCR确定成骨分化相关基因表达，以及对人脐静脉内皮细胞增殖、迁移和成管情况的影响；同时通过体内大鼠颅骨缺损模型和皮下植入模型研究对成骨和血管形成的影响；最后建立兔股骨头坏死模型，植入复合人工骨材料后验证股骨头修复效果。上述研究取得的重要结果和关键数据包括：1.复合磷酸钙人工骨材料，锶离子的掺入不影响磷酸钙骨水泥的固化性能及其相成分的转化；2.锶离子的掺入，可明显促进成骨前体细胞的增殖、提高成骨细胞的成骨活性和成骨相关基因的表达，在体内骨修复过程中新骨生成显著；3.锶离子复合磷酸钙骨水泥体系，可促进人脐静脉内皮细胞的血管化，皮下植入后可见明显新生血管形成；4. 含锶复合磷酸钙人工骨材料，其力学压缩强度能对坏死股骨头提供有效的支撑作用，同时促进坏死股骨头修复，有明显新生血管和新骨生成。本项目研究的科学意义在于提出了一种新的股骨头坏死修复材料，具有有效的力学支撑性能和血管化、骨再生协同进行的效果，可以满足股骨头坏死修复的要求。同时也为各类骨缺损的修复提供新思路和方法，扩展可降解磷酸钙人工骨的实际临床应用价值。