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编号:10265288
骨替代材料对体外培养人胚成骨细胞生长、附着影响的研究
http://www.100md.com 《昆明医学院学报》 2000年第2期
     作者:解保生 吴恩格 李玛琳 周轶平 纪舒昱 冯耀宇

    单位:解保生 吴恩格(昆明医学院口腔医学研究室);李玛琳 周轶平 纪舒昱 冯耀宇(昆明医学院天然药物药理重点实 验室,昆明 650031)

    关键词:人胚成骨细胞;骨替代材料;羟磷灰石生物陶瓷;钛合金

    昆明医学院学报000207 摘要:将体外培养的人胚成骨细胞(OB)与羟磷灰石生物陶瓷(HA)、钛合 金(TI)两种骨替代材料共同培养,在既定时间内观察两种骨替代材料对成骨细胞生长、附着 的影响.结果:HA,TI两种骨替代材料对成骨细胞生长无明显抑制或促进作用,它们皆能使 OB附着于各自材料表面,分泌形成胶原纤维样基质.HA表面所形成的基质似有团块状钙盐沉 积而密度增加,提示其有可能进一步钙化形成骨性组织.而TI表面形成的基质则无此现 象发 生.综合本实验的结果,认为HA较TI具有更好的细胞相容性和成骨性,是一种很有前途的骨 替代材料.
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    中图分类号:Q 226 文献标识码:A 文章编号 :1003-4706(2000)02-0026-05

    Studies on Substitute for

    Bone Tissue Influence Osteoblast Growth

    and Attachment in Cultured Fetal Human Calvaria Cells

    XIE Bao-sheng,LI Ma-lin,ZHOU Yi-ping,JI Shu-yu,FENG Yao-yu,WU En-ge

    (Department of Stomatology, Kunming Medical College, Kunming 650031)
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    Abstract:Osteoblast cells derived from human fetal calvarium were cul tured with substitutes for bone tissue, such as hydrozyapatite(HA) and titanium( TI). The proliferation and attachment of cell were observed in certain time. The results showed that both HA and TI had no obvious effect on the proliferation o f the cells. Both materials could promote the migration and attachment of osteob lasts to them, then the cells produced collagen fibrils like matrix on the surfa ces of both materials. The mineral deposition on the matrix was found in HA grou p, but not in TI group. The results suggested that HA was more biocompatible to osteoblast cells than TI and was a better substitute for bone tissue.
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    Key words:Substitute for bone tissue;Fetal human osteoblasts;Hy droxyapatite(HA);Titanium(Ti)

    随着材料科学的发展,现已有多种骨替代修复材料问世,广泛用于各种原因 所致的骨缺损的修复和重建.良好的生物相容性是材料得以应用并产生修复效果的前提和基 础.本研究采用体外培养的人胚成骨细胞,研究了羟磷灰石生物陶瓷、钛合金两种骨替代材 料对成骨细胞生长、附着的影响,以评价材料的细胞相容性并初步探讨其修复机理.

    1 材料和方法

    1.1 材料

    致密多晶羟磷灰石生物陶瓷(HA,四川龙马化工厂),钛合金(TI,宝鸡有色金属所).HA,TI 两种材料颗粒大小约为0.5 mm×0.5 mm,经超纯水反复清洗、烘干后高压蒸气消毒备 用.
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    人胚成骨细胞:自行培养(另文报道).

    试剂:199培养基(美国GIBCO公司);胰蛋白酶(美国DIFCO公司);新生特级无支原体小牛血 清(杭州四季青生物制品厂);青、链霉素、β-甘油磷酸钠、EDTA-Na2、维生素C(均为国 产)等生化试剂和药品.所有试剂皆经0.22 μm滤器过滤消毒备用.

    培养器材:一次性塑料24孔培养板、塑料培养瓶(美国CORNING公司)等.

    1.2 方法

    (1)细胞增殖实验:采用体外培养的人胚第2代成骨细胞,无菌条件下收集细胞、计数,按每 孔2.56×104个细胞的密度分别接种于4块24孔板中,每板种9孔,添加培养液至500 μL .每块板中除3孔为空白对照外,其余6孔分为HA和TI两组,每组3孔,每孔分别加入对应材 料45 mg,置于37℃,5%CO2培养箱中静置培养.分别于加材料后的第1,3,5,7 d取对应 的培养板,用消化液(0.25%胰酶,0.02%EDTA-Na2以1∶1比例配制)消化完全后(镜检证 实),分别计数各组中每孔的细胞数(每孔取3次样,分别计数后取均值),最后将3孔细胞数 均值作为各组在既定观察时间的细胞数.结果用计算机绘制细胞增殖曲线,并用《中国医学 百科全书*医学统计学》软件包进行统计分析.
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    (2)细胞附着材料的动态观察:为动态观察材料与成骨细胞的附着关系,另取3个直径35 mm 塑 料培养皿,每皿中接种0.5×105个细胞,添加培养液至3 mL,除1皿为空白对照外,其余 2皿分别加入HA,TI 30 mg,置于37℃,CO2培养箱中静置培养,逐日用相差显微镜观 察,适时拍照.

    2 结果

    2.1 细胞增殖实验

    加入材料后不同时间内各组的细胞计数见表1.

    表1 HA,TI及空白对照组在不同时间的细胞数(×104)

    HA

    (1)

    TI
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    (2)

    空白

    (3 )

    两两比较q检验

    (1)与(2)

    (1)与(3)

    (2)与(3)

    1D

    4.33±0.64

    3.78±0.89

    5.03 ±0.66

    3D

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    8.86±0.32

    10.43±0.1

    1

    **

    *

    **

    5D

    13.03±1.8

    5

    14.37±0.3

    2

    16.30±1.5
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    6

    7D

    16.90±0.8

    0

    14.90±1.1

    8

    17.40±0.4

    6

    *

    *

    *P<0.05,**P<0.01.

    以细胞数作纵坐标,时间为横坐标,所得出的上述3组细胞增殖曲线见图1.
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    图1 HA,TI及空白对照组在1周内的细胞增殖曲 线

    2.2 细胞附着的动态观察

    人胚成骨细胞与HA共同培养2 d,HA周围的成骨细胞生长良好,部分已贴附于HA表面(图2). TI合金组在此时间的表现基本类似于HA组(图3).第6 d,HA周围聚集的细胞有所增多,细 胞有成团生长的趋势并与HA表面附着,此细胞团近HA颗粒表面处细胞分界不清,似有基质沉 着而密度增加(图4).TI合金表面也聚集有成骨细胞,彼此连 成网络状,部分细胞界线模糊(图5).第11 d,HA颗粒表面已附有成片的细胞样基质, 细胞轮 廓模糊呈层状.相邻的两粒HA颗粒可因此层状基质的附着而相互连接(图6).TI合金表面的 凹陷处也有片状基质附着,周围可见散在的细胞(图7).第20 d,附着于HA颗粒表面的此类 基质继续增大,呈半月形凸出于HA颗粒表面,半月形的上下两端与HA表面界线清楚,但中间 部分则与HA的分界模糊.与前述阶段相比,这时此基质上因有团块状无机物沉积而变得均匀 、致密(图8).TI合金表面凹陷处也形成大片基质,但尚未成层状,相对疏松,未见明显的 团块状物沉积(图9).
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    图2 人胚成骨细胞与HA共同培养2 d,HA周围的成骨细胞生长良 好,部分已贴附于HA表面.(×10)

    图3 人胚成骨细胞与TI共同培养2 d,TI周围的成骨细胞生长良 好,部分已贴附于TI表面.(×10)

    图4 人胚成骨细胞与HA共同培养6 d,HA周围聚集的细胞有所增 多,细胞有成团生长的趋势.(×10)

    图5 人胚成骨细胞与TI共同培养6 d,细胞聚集于TI表面,彼此 连成网络状.(×10)
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    图6 人胚成骨细胞与HA共同培养11 d,HA表面已附有成片的细 胞样基质,细胞轮廓模糊呈层状.相邻的两粒HA颗粒可因此层状基质的附着而相互连接.( ×10)

    图7 人胚成骨细胞与TI共同培养11 d,TI合金表面的凹陷处也 有片状基质附着,周围可见散在的细胞.(×10)

    图8 人胚成骨细胞与HA共同培养20 d,HA颗粒表面附着半月形 基质,其上似有团块状无机物沉积而变得均匀、致密.(×10)

    图9 人胚成骨细胞与TI共同培养20 d,TI合金表面凹陷处形成 大片基质,但尚未成层状,相对疏松,未见明显的团块状物沉积.(×10)
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    2 讨论

    体外细胞培养法用于检测生物材料的细胞相容性,具有简便快捷,敏感直观,重复性好等优 点.以往采用软组织来源的细胞(如成纤维细胞等)进行实验[1].但对与骨质密切 接触的骨替代材料,用软组织来源的细胞进行检测尚不能全面地反映此类材料的生物学性状 ,检测时应采用骨源细胞为佳[2,3],故成骨细胞当属首选.然而许多文献报道的 有关研究仍大多采用鼠、兔等低等动物来源的成骨细胞,而用人成骨细胞进行实验的报道则 较为少见.本研究将体外分离培养的人胚成骨细胞与常用骨替代材料羟磷灰石、钛合金共同 培养,以了解材料对细胞生长、附着的影响,这无疑是更为合适的方法.

    本研究以24孔板作培养载体,而且每一观察时期仅选择各自板中彼此隔开一定距离的9个孔 进行实验,其目的是使测试材料能方便、准确地被加入到对应的孔中,避免材料误落入其它 孔中.为尽量减小实验误差,细胞消化计数时,首先应保证消化干净彻底,以镜下观察孔底 壁无残留细胞为度;其次每孔消化下来的细胞悬液应反复混匀后重复取样3次,分别计数后 取均值作为每孔的计数值;最后再将同组的3孔计数值平均后得出在既定观察期各组的细胞 数.
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    从细胞增殖曲线上可看出3个组别在前3 d细胞的增殖趋势基本一致.经统计学处理,加入 材料后第1 d,各组间细胞计数无显著性差异(P>0.05),提示在如此短的时间内材料( 尤其是无明显刺激和毒性的材料)对细胞的影响尚不足以表现出来.第3 d HA组与空白间 细 胞计数有显著性差异(P<0.05),而TI组与空白组间细胞计数则有高度显著性差异(P <0.01),同时HA与TI组间细胞计数也有高度显著性差异(P<0.01),提示此时HA, TI的异物刺激性有可能表现出来,使得两组的细胞生长暂时受到抑制,而抑制的程度HA要低 于TI,显示出HA的生物相容性可能优于TI.随着时间的推移,第5 d,可能细胞已逐渐耐受 了HA,TI两种材料,异物刺激减轻,3组间细胞计数无显著性差异(P>0.05).第7 d, 可能由于HA的生物活性逐渐有所表现,故此时它与空白对照组间细胞计数已无显著性差异( P>0.05),但与TI组间却表现出显著性差异(P<0.05).进一步提示HA的细胞相 容性可能优于TI.本研究在整个观察期内并未看出HA可促进细胞生长、增殖,这与个别文 献报道的结果有所不同[4],其原因可能与实验方法和条件的差异有关.因第7 d时 细胞已铺满皿底,故本研究只进行了4个时期的观测,7 d以后各组细胞的生长情况便无法 得知.随着时间的进一步推移,HA是否会表现出刺激成骨细胞增殖的作用和功能尚有待于深 入研究.
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    本研究注意到加入HA后不久成骨细胞便向材料颗粒迁移,随后附着于已于人其表面,生长增 殖 ,形成大片层状基质,以后基质逐渐变得致密,与HA颗粒表层的界限模糊,呈典型的半月形 结构凸出于HA颗粒表面.此特征国内文献中尚未见图片报道及文字描述.加 入TI合金后,成骨细胞向其移动、聚集和附着的时间相对较晚,附着的细胞也较少.虽然晚 些时 候TI合金表面凹陷处也有层状的基质附着,但其结构相对疏松,未见团块状高密度物质沉积 .我们认为产生这两种不同表现的原因可能是随着附着于HA,TI上的成骨细胞的增多,成骨 细胞便分泌细胞外胶原而形成大片层状基质,由于HA组成与人体骨组织的无机成分相类似, 因此有利于离子交换和沉积,使得钙盐等沉积于胶原纤维而逐渐钙矿化,密度增大,最终形 成骨性组织.而TI合金属惰性材料,它不能通过离子交换使无机盐沉积于胶原纤维基质上, 故此基质也就难以钙化形成骨性组织.这可从HA种植体植入体内骨组织可形成骨性愈合,而 TI合金种植体大多形成纤维包裹中得到佐证.

    除细胞形态与数量外,细胞的代谢也是评价材料生物相容性的重要指标.在了解骨替代材料 对细胞增殖、附着影响的基础上,还应从细胞代谢等方面深入研究材料与细胞的相互作用, 进而作出材料与骨细胞相容性的综合评价,有关的实验结果将另文报道.
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    基金项目:云南省应用基础研究基金资助项目(95C077Q)

    作者简介:解保生(1964~),男,云南昆明人,硕士,副教授,主要从事口 腔材料的研究工作.

    参 考 文 献

    [1] HAKKINEN L.Attachment and spreading of human gingival fibroblast c ells on potentially bioactive glass in vitro[J].J Biomed Mater Res,1988,22:104 3

    [2] CHEUNG H S,HEAK M H.Growth of osteoblasts on porous calcium phosph a te ceramic:an in-vitro model for biocompatibility study[J].Biomaterials,1989,1 0:63

    [3] ITAKURA T.Development of new system for evaluation of biocompatibi lity of implant materials using an osteogenic cell line(MC3T3-E)[J].J Biomed R es,1988,22:613

    [4] 王慧明,王模堂,王翰章,等.生物陶瓷对人胚成骨细胞体外生长及代谢影 响的研究[J].华西口腔医学杂志,1994,12(3):220

    (1999-09-21收稿), http://www.100md.com