【摘要】 目的 觀察大顆粒超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和氧化鋯(zirconia)對兔膝關節周圍組織炎癥細胞因子表達的差異和組織學改變，并初步探討其作用機制。方法 日本大耳白兔45只，隨機分為UHMWPE顆粒組、氧化鋯顆粒組和對照組，每組15只。兔右側膝關節腔及關節內側組織分別注入平均直徑為58.87 μm 的UHMWPE顆粒混懸液（UHMWPE顆粒組）或氧化鋯顆粒混懸液(氧化鋯顆粒組)，顆粒濃度均為0.1%（V/V)；對照組只注入等量無菌磷酸鹽緩沖液，其余條件均與UHMWPE顆粒組及氧化鋯顆粒組相同。分別于實驗第8、16、24周取膝關節周圍組織，進行病理組織學檢查，ELISA法檢測標本組織中IL-1β、IL-6、TNF-α的變化。結果 與對照組相比，UHMWPE顆粒組可見顆粒周圍有大量巨噬細胞、多核巨細胞與成纖維細胞包繞，外周形成纖維膜；而在氧化鋯顆粒組，第8周時顆粒周圍未見巨噬細胞、多核巨細胞和成纖維細胞，第16周開始出現少量上述細胞，第24周時細胞數增加，但仍然少于UHMWPE顆粒組。實驗第8、16、24周，UHMWPE顆粒組IL-1β、IL-6、TNF-α的表達均明顯高于氧化鋯顆粒組和對照組（P＜0.05）。氧化鋯顆粒組IL-1β、IL-6、TNF-α的表達在第8、16周組時與對照組比較差異無統計學意義（P＞0.05），第24周3種細胞因子均明顯高于對照組(P＜0.05)。結論 在不能被巨噬細胞吞噬的大顆粒中， UHMWPE顆粒的生物活性仍然較氧化鋯顆粒強， 由此推測UHMWPE顆粒導致假體周圍骨質溶解的反應要強于氧化鋯顆粒。 【關鍵詞】 關節假體材料 人工關節 超高分子量聚乙烯 氧化鋯 細胞因子 Abstract:Objective To observe the differences between ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and the zirconia particles on the expression of inflammatory cytokines and histological changes of the peripheral tissues of knee joint in rabbits and to make a preliminary probe into the underlying mechanisms.Methods 45 Japanese white rabbits were randomly pided into three groups (n=15 each): UHMWPE particle group， zirconia particle group and control group. Suspension of UHMWPE particles or zirconia particles of 58.87 μm in average diameter at volume percent of 0.1% concentration was injected into the knee joint capsules and the medial tissues on the right side in rabbits. Control group only received the same amount of sterile phosphate buffer under the same condition as UHMWPE group and zirconia particle group. Peripheral tissues of knee joint were examined for pathohistological assessment and ELISA was performed for changes of the three cytokines (IL-1β， IL-6 and TNF-α) at the 8th， 16th and 24th week after particle injection， respectively.Results Compared with the control group， in the UHMWPE particle group， the particles were surrounded by the tunica fibrosa. Optical microscopy indicated that the UHMWPE particles were surrounded by numerous macrophages， multinucleated giant cells and fibroblasts， which formed a tunica fibrosa in the peripheral tissue; while in the zirconia particle group， there were no macrophages， multinucleated giant cells， fibroblasts around zirconia particles at the 8th week after injection， and a scant number of the above cells emerged from the 16th week and the cell count increased at the 24th week but was still lower than in the UHMWPE particle group. The expression levels of IL-1β， IL-6 and TNF-α were in the UHMWPE particle group were markedly higher than in the control and zirconia particle groups (P<0.05) at 8th， 16th and 24th week after injection， but still was less than UHMWPE particle group. The expression levels of IL-1β， IL-6 and TNF-α in the zirconia particle group at 8th week and 16th week had no statistic significance compared with the control group (P>0.05). The levels of inflammatory cytokines of zirconia particle group at 24th week were markedly higher than the control group (P<0.05).Conclusion Of the macroparticles that can not be devoured by macrophages， UHMWPE particles have much stronger biological activity than zirconia particles. Thus an inference might be made that UHMWPE particles are capable of inducing a stronger osteolysis in the peripheral tissue of prosthesis than zirconia particles in conditions with equal particle volume. Key words: materials for joint prosthesis; artificial joint; ultra-high molecular weight polyethylene; zirconia; cytokine 在造成人工關節無菌性松動的諸多因素中，磨損顆粒引起的生物學反應正日益受到重視。磨損顆粒被局部的吞噬細胞，特別是巨噬細胞吞噬后，激活吞噬細胞并釋放一系列炎癥因子，如IL-1β、IL-6、TNF-α和PGE2等，這些炎癥因子又作用于破骨細胞，導致骨質溶解、人工關節假體松動［1-2］。目前應用于人工關節假體的材料有許多種，超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene， UHMWPE)是臨床上較為常用的假體材料， 金屬對UHMWPE假體，即金屬關節頭和聚乙烯臼杯相關節，也是當前最流行的假體配伍方式，但是仍然不能避免聚乙烯磨損顆粒的產生［3］。氧化鋯(zirconia)為惰性生物陶瓷的一種，在生物體內與組織幾乎不發生反應或反應很小，成為人工關節假體的新型材料［4］。臨床組織學觀察發現，不同材質的顆粒誘發骨溶解的強弱程度不同，在可被巨噬細胞吞噬范圍(＜12 μm)的顆粒中，以UHMWPE顆粒的生物活性作用最強，且顆粒越小激活巨噬細胞的作用越明顯［5］，但對不能被吞噬的較大磨損顆粒造成局部生物學反應的差異尚不明了，也缺乏相關實驗研究。本實驗選擇了UHMWPE和氧化鋯這2種較大、不能被巨噬細胞吞噬的顆粒，通過對比觀察它們引起生物學反應的差異，探討其可能的原因。 1 材料和方法 1.1 實驗動物、材料和分組 日本大耳白兔45只，5～7月齡，雌雄各半，體重2.5～3.0 kg，由徐州醫學院實驗動物中心提供。UHMWPE顆粒和氧化鋯顆粒由中國礦業大學材料研究院提供，經掃描電鏡（SEM）檢測其形狀基本為球形，平均直徑為(58.87±6.31) μm。按隨機原則將實驗動物分為3組：UHMWPE顆粒組、氧化鋯顆粒組及對照組，每組15只。每組分別取第8、16、24周3個時間點，每一個時間點每組取實驗動物5只進行實驗。 1.2 實驗方法 參閱有關文獻［5-6］，將UHMWPE顆粒和氧化鋯顆粒用無菌磷酸鹽緩沖液（PBS）配成體積分數為0.1%的混懸液。2.5%戊巴比妥鈉溶液25 mg·kg-1耳緣靜脈麻醉成功后，均選擇右側膝關節，局部備皮消毒，推開髕骨，注入膝關節腔內UHMWPE顆粒(UHMWPE顆粒組)或氧化鋯顆粒（氧化鋯顆粒組）混懸液2 ml及膝關節內側組織1 ml，注入后再次局部消毒并按壓5 min以防外溢。對照組注入等量的無菌PBS。整個操作過程嚴格遵循無菌原則。術畢將兔單籠飼養，不制動。 1.3 標本采集與觀察指標 術后觀察實驗動物一般情況、下肢活動及注射部位皮膚的情況。分別于第8、16、24周用空氣栓塞法處死動物，立即取膝關節周圍組織，置于10％中性甲醛溶液（pH 7.2～7.4），常溫下固定24 h。石蠟切片，蘇木精-伊紅常規染色，光鏡下觀察兔膝關節周圍組織對UHMWPE顆粒和氧化鋯顆粒產生的組織學反應。在相同時間取部分膝關節周圍組織3 g，用組織剪將其剪碎，加生理鹽水3 ml，用勻漿器徹底勻漿，取勻漿液2 ml，以8000 r/min離心10 min，留取上清液1.0 ml，于-80℃下保存。ELISA法檢測標本組織中細胞因子，包括IL-1β、IL-6、TNF-α。試劑盒購自碧云天生物工程公司（進口分裝），嚴格按照試劑盒說明的步驟進行操作。 1.4 統計學處理 數據采用±s表示，應用SPSS 11.5統計軟件進行數據處理。組間比較采用單因素方差分析（ANOVA），組間兩兩比較應用q檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。 2 結 果 2.1 病理檢查結果 2.1.1 UHMWPE顆粒組 蘇木精-伊紅染色光鏡下表現為：注入UHMWPE顆粒后第8周，可見乳白色的UHMWPE顆粒形狀完整，周圍包裹少許多核巨細胞和成纖維細胞，未見中性粒細胞和淋巴細胞（圖1A）。第16周時， 可見UHMWPE顆粒周圍被大量巨噬細胞、多核巨細胞、成纖維細胞所包繞，多核巨細胞數量最多，淋巴細胞極少，未見中性粒細胞（圖1B）。第24周時， 這種包裹明顯變厚，細胞數量顯著增加，外層有纖維組織增生（圖1C）。 圖1 UHMWPE顆粒組不同時間的病理組織學改變(蘇木精-伊紅染色，×400) A.第8周；B.第16周；C.第 24周 2.1.2 氧化鋯顆粒組 注入氧化鋯顆粒后的第8、16、24周，均可見氧化鋯顆粒形態基本完整，有斷裂的痕跡。第8周時顆粒周圍未見到明顯的巨噬細胞、多核巨細胞、成纖維細胞及中性粒細胞（圖2A）。第16周時，可見氧化鋯顆粒周圍開始包裹少許巨噬細胞、成纖維細胞，但遠較同期UHMWPE顆粒周圍包裹的細胞數少（圖2B）。到第24周時，可見氧化鋯顆粒周圍包裹2～3層多核巨細胞、成纖維細胞，外層有少許纖維組織增生（圖2C）。 2.1.3 對照組 注入PBS后第8、16和24周，對照組關節周圍組織未見UHMWPE顆粒或氧化鋯顆粒，未見多核巨細胞、成纖維細胞等（圖3 A、B、C）。 圖2 氧化鋯顆粒組不同時間的病理組織學改變(蘇木精-伊紅染色，×400) A.第8周；B.第16周；C.第 24周 圖3 對照組不同時間的病理組織學改變(蘇木精-伊紅染色，×100) A.第8周；B.第16周；C.第 24周 2.2 細胞因子的檢測結果 注入UHMWPE顆粒后第8、16、24周， IL-1β、IL-6和TNF-α均有明顯增高，明顯高于同期的氧化鋯顆粒組和對照組(P＜0.05)，且隨著時間延長，表達明顯增加。氧化鋯顆粒組IL-1β、IL-6和TNF-α在第8、16周時表達極低，與對照組相比差異無統計學意義（P＞0.05）；到第24周時，細胞因子表達比對照組明顯增加(P＜0.05) 。見表1～3。表1 3組不同時間IL-1β表達水平的比較 與對照組比較：*P＜0.05;與氧化鋯顆粒組比較：△P＜0.05表2 3組不同時間IL-6表達水平的比較 與對照組比較：*P＜0.05;與氧化鋯顆粒組比較：△P＜0.05表3 3組不同時間TNF-α表達水平的比較與對照組比較：*P＜0.05;與氧化鋯顆粒組比較：△P＜0.05 3 討 論 3.1 UHMWPE顆粒是激活巨噬細胞并促進其釋放炎癥細胞因子的主要顆粒 臨床組織學觀察已表明，人工關節假體周圍最常見、數量最多的磨損顆粒為UHMWPE顆粒。

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