人工關節假體周圍的顆粒可引起巨噬細胞的募集和吞噬，巨噬細胞吞噬顆粒後發生活化，釋放一系列細胞因子，形成炎症性肉芽腫，最終導致骨溶解和鬆動。假體周圍存在多種顆粒，包括UHMWPE顆粒、鈦合金顆粒和骨水泥顆粒等，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，其中以UHMWPE顆粒的作用最強。目前對這種因顆粒材質不同而造成局部生物學反應差異的確切機制尚不明瞭，也缺乏相關實驗研究。巨噬細胞吞噬顆粒是假體周圍骨溶解反應的初始步驟，吞噬反應越強其活化程度越高，引起的炎症和骨溶解反應也越強。據此作者推測顆粒誘發骨溶解程度的差異與顆粒引起巨噬細胞吞噬反應程度的不同有關，本實驗假設不同顆粒引起巨噬細胞吞噬反應不同，對比觀察UHMWPE和Ti-6AL-4V兩種顆粒引起的巨噬細胞吞噬反應的差異，從細胞水平探討不同材質顆粒引起的不同生物學反應差異的原因。
顆粒與細胞
1、顆粒：UHMWPE顆粒由美國John D. Dingle VA醫學中心的Wooley H.教授惠贈。顆粒形態不規則，平均直徑2.6μm（直徑範圍0.8-23μm，）。Ti-6AL-4V顆粒由上海第二醫科大學附屬第九人民醫院骨科實驗室製作，專利號03142073.7。製作過程是將Ti-6AL-4V材料製成的磨塊裝入相同材料的磨罐中，無菌條件下加入70mL的DMEM，置於搖床上震盪搖晃21天，採用梯度離心法提取DMEM內的顆粒。製作的Ti-6AL-4V顆粒形態多變，平均直徑3.9μm（直徑範圍0.6-31μm，）。為去內毒素，將顆粒懸溶於75％乙醇，室溫下震盪洗浴4 次，每次1 小時，100％乙醇浸泡過夜。經檢測內毒素含量小於0.25EU/mL。處理後的顆粒懸浮浸泡於培養基中。
2、RAW 264.7細胞：RAW 264.7細胞（購自上海中科院細胞研究所）屬於小鼠單核/巨噬細胞系，同時具有巨噬細胞和破骨前體細胞的雙重特性，在37℃、5％CO2條件下培養於含10％胎牛血清和1％青/鏈黴素的DMEM中。根據顆粒的不同實驗分2組，在培養基中分別加入UHMWPE顆粒和Ti-6AL-4V顆粒，調整濃度至0.1mg/mL，使RAW 264.7細胞在顆粒刺激條件下進行培養。
RAW 264.7細胞對兩種顆粒吞噬情況的對比觀察
1、測定最佳細胞反應密度：本實驗採用MTT法尋找細胞對顆粒的最佳反應密度。將巨噬細胞（RAW 264.7細胞）分別以1×103/mL、1×104/mL、1×105/mL和1×106/mL的密度與UHMWPE顆粒和Ti-6AL-4V顆粒進行共同培養，72h後進行MTT細胞活力檢測。結果顯示，密度為1×105/mL的RAW264.7細胞對0.1mg/mL濃度顆粒的刺激最敏感。
2、顆粒吞噬的觀察：將密度為1×105/mL的RAW 264.7細胞分別與0.1mg/mL的UHMWPE顆粒和Ti-6AL-4V顆粒進行共同培養，光鏡下觀察培養後第1、4、12、48和72h細胞吞噬顆粒的情況。並在第1、4、48和72h在100倍光學顯微鏡視野下計數每個視野內含吞噬顆粒細胞佔總細胞數的比例，重複3次，同時進行統計學分析。
統計學處理 採用SPSS10.0統計軟件進行卡方檢驗，以р＜0.05為有統計學意義。
結果
巨噬細胞吞噬UHMWPE顆粒 UHMWPE顆粒刺激巨噬細胞產生的吞噬反應快速而強烈。RAW 264.7細胞與UHMWPE顆粒接觸後僅1h，即有部分細胞開始吞噬顆粒。隨培養時間延長，吞噬顆粒的細胞越來越多，到48h，96.4％的細胞內含有吞噬的顆粒。72h後吞噬顆粒的細胞達到飽和，含有吞噬顆粒的細胞比例不再增加。同時可以觀察到，細胞吞噬顆粒後自身不但不增殖，相反表現出胞體增大、煎蛋樣外形和細胞脫落等凋亡現象。如此時更換為普通培養基，含有吞噬顆粒的細胞繼續凋亡脫落，而剩餘少量的未吞噬顆粒的細胞開始增殖，直至鋪滿整個培養皿。
巨噬細胞吞噬Ti-6AL-4V顆粒的情況 與UHMWPE顆粒相比，Ti-6AL-4V顆粒引起巨噬細胞吞噬現象出現的較晚，而且吞噬顆粒的細胞比例相對較少，這種現象在培養早期更顯著。在RAW 264.7細胞與Ti-6AL-4V顆粒共同培養後1h，很少有細胞吞噬顆粒的現象。在培養後4h，有少量細胞吞噬顆粒。隨培養時間延長，吞噬顆粒的細胞逐漸增多，但比例與同時間段的UHMWPE顆粒組相比明顯較少。到72h，有70％以上的細胞含有吞噬顆粒。吞噬顆粒的細胞形態變化較小，很少有脫落凋亡表現。
討論
UHMWPE是引起骨溶解的主要顆粒 人工關節假體周圍存在多種磨損顆粒，如UHMWPE顆粒、鈦合金顆粒、骨水泥顆粒、純鈦顆粒和鈷鉻鉬顆粒等，可引起假體周圍生物學反應，經一系列病理變化，最終導致骨溶解和鬆動。臨床組織學觀察表明，假體周圍最常見、數量最多的是UHMWPE顆粒，與假體周圍生物學反應的關係較其它顆粒更密切，是引起骨溶解和鬆動的最主要顆粒：當界膜內的UHMWPE顆粒超過1×1010/g時，幾乎肯定發生骨溶解和鬆動，假體使用壽命明顯縮短。UHMWPE顆粒較其它顆粒更易引起骨溶解的原因目前尚未完全闡明。
顆粒與巨噬細胞的關係 顆粒導致骨溶解和鬆動的主要機制是刺激假體周圍細胞產生生物學反應，造成局部生化環境改變和骨代謝失衡。巨噬細胞是體內主要的防禦反應細胞，與顆粒之間存在著最直接和密切的關係。根據組織學觀察，固定良好的假體周圍界膜內僅有少量顆粒和巨噬細胞存在，而鬆動假體局部增厚的界膜內含有大量顆粒，同時募集有大量巨噬細胞吞噬顆粒，巨噬細胞的數量與顆粒的數量和體積成正比，說明顆粒能夠引起巨噬細胞募集在假體周圍並被其吞噬。本實驗結果也表明，巨噬細胞與UHMWPE顆粒接觸僅1h即開始吞噬，隨時間延長吞噬明顯增加，驗證了巨噬細胞確有吞噬顆粒的能力。
巨噬細胞吞噬顆粒後活化，發生一系列反應，在使周圍生化環境發生改變的同時自身也出現性狀改變。首先，巨噬細胞在吞噬顆粒後分泌多種生化介質和細胞因子，包括TNF-α、IL-1、 IL-6和 MMP等，引起假體周圍炎症性肉芽腫和骨吸收的反應。其次，巨噬細胞是破骨細胞的前體細胞，在顆粒刺激情況下，分化成破骨細胞的數量增多，骨吸收能力增強，引起局部骨代謝不平衡，造成假體周圍骨溶解。實驗證明，巨噬細胞的上述生物學變化必須在與顆粒接觸或吞噬顆粒後才能發生，如阻止顆粒與細胞間的接觸，將不會發生上述變化。
UHMWPE顆粒與鈦合金顆粒吞噬反應比較 本實驗研究表明，與Ti-6AL-4V顆粒相比，UHMWPE顆粒能夠引起巨噬細胞快速而強烈的吞噬反應。UHMWPE顆粒與巨噬細胞剛接觸即被吞噬，且隨時間延長，吞噬現象越來越明顯，含有顆粒的細胞的比例迅速增加，到72h就已經達到吞噬呈飽和狀態。而在Ti-6AL-4V顆粒組，細胞吞噬現象出現較晚，在相同時段內，含有吞噬顆粒細胞的比例也明顯少於UHMWPE顆粒組。
以往的研究認為，UHMWPE顆粒之所以是導致骨溶解發生的主要因素，主要在於其數量眾多，遠遠超過其它顆粒數量的總和，因此引起的生物學反應更強。而本實驗結果表明，即使在顆粒密度相同的情況下，UHMWPE顆粒刺激巨噬細胞的吞噬作用仍較鈦合金顆粒更強烈和迅速。由於巨噬細胞需要在吞噬顆粒後才會發生生物學反應，因此可以推測UHMWPE顆粒本身引起的巨噬細胞的吞噬和生物學反應也較其它顆粒更強，產生更多的炎性介質和細胞因子，這從另外一個角度解釋了UHMWPE顆粒較其它顆粒更易誘發骨溶解的原因。
總之， UHMWPE顆粒較Ti-6AL-4V顆粒引起的巨噬細胞吞噬反應更快更強烈，並由此引起一系列生物化學反應，最終導致更強的假體周圍骨溶解反應和鬆動。
