渗透和包覆改性制备高生物活性羟基磷灰石陶瓷及其性能研究

发布时间：2020-05-16 09:17

【摘要】：羟基磷灰石(HA)陶瓷的成分与天然骨中的无机成分相似,是目前研究和应用较为广泛的一种生物医用无机材料。然而较低的成骨活性和较差的可降解性能一直限制着HA陶瓷的临床使用。研究表明,在HA中引入锌元素或硅元素,可以提高材料的生物活性和降解性能。本文通过渗透改性和包覆改性分别向HA陶瓷中引入具有促成骨和/或成血管化功能的锌元素和硅元素,研究引入元素的存在形式及其对HA陶瓷理化性能和生物学性能的影响。通过渗透改性和包覆改性,改善HA陶瓷的生物活性和降解性能,拓宽HA陶瓷的临床应用范围。锌离子具有促成骨的作用,通过将Zn(NO_3)_2溶液渗透到HA陶瓷中引入Zn元素,制备了Zn~(2+)溶液渗透改性HA陶瓷。研究表明,HA预烧结体在真空负压条件下浸渍于Zn(NO_3)_2溶液中,烧结后Zn元素以ZnO晶粒团簇的形式均匀分布在HA陶瓷内部。Zn元素的引入使HA陶瓷的孔隙率提高,体积密度和压缩强度有所下降。溶液渗透法引入Zn元素后,HA陶瓷的矿化性能有所提高,同时小鼠骨髓间充质干细胞(mBMSCs)在改性HA陶瓷表面能够很好地黏附、铺展。合适的渗透液浓度(0.75 mol/L)制备的改性HA陶瓷能够显著地促进mBMSCs的增殖和早期成骨分化能力,但Zn元素引入量过多时对细胞的增殖和成骨活性有一定的抑制作用。Si元素具有良好的促成骨和促血管化能力,通过将含硅生物活性玻璃(BG)溶胶渗透到HA陶瓷中引入Si元素,制备了BG溶胶渗透改性HA陶瓷。研究表明,真空负压浸渍渗透后,在烧结过程中BG与HA发生反应,在HA陶瓷晶粒周围均匀地生成了含硅晶界相——硅酸磷酸钙和硅酸钙。以含硅晶界相的形式引入Si元素后,HA陶瓷的孔隙率增大、密度和压缩强度减小,但是其强度仍明显高于直接机械混合BG或CaSi O_3和HA粉末制备的改性HA陶瓷的强度。高孔隙率提供的较高比表面积和含硅晶界相较高的溶解度显著地改善了HA陶瓷的体外降解性能。在细胞培养过程中,改性HA陶瓷可以向培养基中缓慢释放Si元素。在成骨活性方面,Si元素的存在明显地促进了mBMSCs在材料表面的黏附、铺展、增殖、ALP活性和成骨相关基因(Col-I、ALP和OCN)的表达;在成血管方面,Si元素的存在促进了人脐静脉内皮细胞(HUVECs)在材料表面的黏附和铺展,同时在改性陶瓷浸提液中培养的HUVECs有较高NO和成血管相关基因(eNOS、KDR和VEGF)的表达量。BG溶胶渗透改性HA陶瓷中含硅晶界相的出现,促进了HA陶瓷的成骨活性和体外成血管能力。通过BG凝胶包覆HA粉体的方式向HA陶瓷中引入Si元素,制备了包覆改性HA陶瓷。研究表明,将BG溶胶加入HA粉体分散液中,在完成凝胶化转变后,BG凝胶均匀地包覆在HA粉体颗粒周围。在高温烧结过程中,BG凝胶与HA发生反应生成了硅酸磷酸钙。包覆改性后,HA陶瓷的孔隙率增大,密度和压缩强度降低。Si元素的存在明显改善了HA陶瓷的体外矿化性能。包覆改性后,mBMSCs在改性HA陶瓷表面的黏附、铺展、增殖情况和成骨分化相关基因(ALP、OPN和Runx-2)的表达量都得到了显著提高。包覆改性改善了HA陶瓷的成骨活性。
【图文】：

骨组织,结构示意图,骨髓

华南理工大学硕士学位论文骨骼主要由密质骨、松质骨、骨骼外侧的皮质性骨膜、关节软骨和骨髓等质骨又称皮质骨，质地坚硬，主要分布在长骨骨干、短骨和扁骨表层；松骨骨骺和其他类型骨内部，由针状或片状的骨小梁组成，具有多孔海绵状结间的网孔中充满了含有大量干细胞的骨髓，骨髓干细胞可诱导分化成各种液，维持人体的各项生命活动正常运行。

羟基磷灰石,晶体结构

]微球与磷酸钙骨水泥复合，植入人体后，PLGA 微球逐渐被降解、代谢，在大孔隙，便于骨组织再生和血管长入，，加快骨组织的再生修复[21]。基磷灰石骨修复材料基磷灰石是人体骨和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物相容性。20 世始，人工合成的羟基磷灰石材料开始逐步应用到人体硬组织损伤修复领域。，HA 作为齿根移植材料开始应用在牙科修复中[22]，到了 90 年代，研究者开陶瓷的力学性能和骨诱导特性。羟基磷灰石作为骨损伤修复材料，可以根据严重程度和骨缺损的形状制备成各种形式的骨修复材料，如纳米颗粒、致密多孔支架，HA 涂层等。羟基磷灰石概述及其制备方法
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.1

【参考文献】