离子掺杂及生物活性物质复合多功能磷酸钙骨水泥的构建和性能

发布时间：2018-03-06 11:50

  本文选题：磷酸钙骨水泥　切入点：离子掺杂　出处：《华南理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：无机离子对骨修复材料的理化性能和生物学性能的提高具有显著的促进作用,而生物活性物质也能够明显的提高骨修复材料的成骨性能。本文通过单一离子掺杂、多元离子掺杂以及在离子掺杂的基础上复合生物活性物质,构建了具有多种功能的磷酸钙骨水泥(Calcium phosphate cement,CPC),通过其物理化学性能和生物学性能的双重改善来实现其临床骨修复效果的提高。通过化学沉淀法合成含Fe~(3+)的PCCP粉体(Fe-PCCP),Fe-PCCP晶体形貌随着Fe~(3+)含量的不同而发生变化。以Fe-PCCP为原料制备了铁掺杂的CPC(Fe-CPC)。Fe~(3+)掺量较低时,CPC的凝结时间稍微有所延长,但其抗压强度和可注射性都有显著提高。Fe~(3+)的掺入对CPC水化产物的物相没有任何影响,并且对其水化反应有一定的促进作用。含Fe~(3+)的CPC水化之后,内部出现大量针棒状晶体、结构更加致密。经检测,Fe-CPC具有超顺磁性,从而可拓宽CPC在临床上的应用范围;并且随着Fe~(3+)含量的提高,CPC的表面负电性逐渐增强。m BMSCs在含Fe~(3+)的CPC表面展现出更好的铺展形态和细胞活性、更高的细胞增殖速率、ALP活性以及成骨相关基因COL-I、OPN和Runx-2的表达量。细胞行为的变化与CPC中Fe~(3+)的掺入量有关。含Fe~(3+)骨水泥规则的表面形貌以及表面负电荷的增加,促进了细胞在材料表面的黏附和铺展。Fe-CPC释放出的Fe~(3+)在贴近材料表面层的位置浓度较高,但该处Fe~(3+)浓度无法检测。因此本文设计了一组平行对照实验,模拟磁性材料中Fe~(3+)释放后的环境,研究了培养在具有不同浓度Fe~(3+)的浸提液中的细胞行为的变化。Fe~(3+)浓度高时具有一定的细胞毒性,但Fe~(3+)在合适浓度范围内(0-12.7μg/L)可以显著的促进mBMSCs的增殖、ALP活性以及成骨分化相关基因表达。并且,合适浓度的Fe~(3+)能够促进HUVECs的增殖和成血管相关基因VEGF和eNOS的表达。由此说明,Fe~(3+)在其安全浓度范围内,具有有效的诱导成骨和成血管的功能。通过在Fe-CPC中载入生物活性物质乳铁蛋白,来进一步提高材料前期的骨诱导性能。乳铁蛋白的加入对Fe-CPC水化产物的物相没有影响;当骨水泥基体中Fe含量相同时,随着乳铁蛋白含量的提高,骨水泥的凝结时间逐渐延长,抗压强度逐渐降低。基体中Fe含量越高,乳铁蛋白溶出越慢,因此Fe的存在对乳铁蛋白的溶出起到了缓释的作用。Fe和乳铁蛋白对mBMSCs的成骨分化具有协同促进作用,且材料中的乳铁蛋白的存在能够抑制细胞凋亡,含量越高,抑制凋亡的效果越显著。通过在CPC中添加不同含量的硅酸锌(Zinc silicate,ZS)粉体,制备了同时掺杂硅和锌两种离子的骨水泥。ZS含量越多,抗压强度越高,ZS含量为15 wt.%时,抗压强度达到80 MPa;但ZS含量高时,凝结时间也有所延长。硅离子和锌离子对HA晶体的生长有抑制作用,因此ZS的添加在一定程度上延缓了CPC的水化。ZS/CPC中的钙、硅和锌离子都有比较稳定的溶出,并且离子的溶出量与ZS的含量呈正相关的关系,溶出的离子显著促进了m BMSCs的增殖和成骨分化。适量ZS粉体的添加可以提高内皮细胞的活性和成血管性能。在所溶出离子的共同作用下,HUVECs的增殖随着ZS粉体含量的提高呈先增加后降低的趋势。纯CPC在体内的降解速率较慢,与新骨生长速率不匹配。通过将ZS/CPC与PLGA微球复合,制备了可快速降解的骨水泥。PLGA微球的添加,对ZS/CPC的凝结时间和抗压强度均造成了不利的影响,但骨水泥降解速率提高,8周的降解量已超过30%。Micro-CT检测得知,PLGA微球在骨水泥基体内部均匀分布,说明微球降解后可在骨水泥内形成均匀的孔隙。将该骨水泥植入到新西兰大白兔股骨缺损后发现,PLGA微球降解形成的孔隙利于新骨的长入,新骨沿着骨水泥基体降解以及微球降解产生的孔隙逐渐长入材料内部,而骨水泥中ZS的存在明显提高了新骨的生成量。本实验说明,可快速降解的ZS/CPC在骨缺损的填充修复方面具有良好的应用前景。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ132.32;R318.08
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本文编号：1574729