生物活性玻璃组织工程支架的制备及细胞相容性研究

发布时间：2019-01-24 13:42

【摘要】：通过研制新型的骨组织修复材料，帮助患者修复缺损或缺失的骨组织，更好的恢复人体硬组织功能是医学界和生物医学材料学界多年来一直在探索并试图解决的重要问题。本研究首先采用溶胶-凝胶技术结合模板法，制备出具有卷曲片层结构的生物活性玻璃，然后通过原位凝固成型工艺结合光固化快速成型技术制备出具有较高力学强度和一定孔隙率的具有有序堆砌孔结构的生物活性玻璃陶瓷支架材料，研究了这一支架材料的制备工艺、物理化学性质、体外磷灰石矿化活性和降解性能，并以成骨细胞MG-63为细胞模型研究了生物活性玻璃陶瓷支架的细胞相容性。主要研究工作如下：首先，通过传统熔融法制备了45S5生物活性玻璃，采用溶胶-凝胶技术结合非离子型嵌段共聚物P123作为模板制备出具有卷曲片层结构的58S生物活性玻璃粉体，然后在模拟体液SBF中浸泡表征其体外矿化性能，发现随浸泡时间的延长，磷灰石晶体在颗粒表面成核生长，并最终覆满整个表面。实验结果表明，本实验制备的45S5和58S生物活性玻璃粉体都具有良好的生物活性和体外矿化性能。其次，通过调节制备工艺参数来改善生物活性玻璃浆料的流动性，制备出了流动性好，性能稳定的生物活性玻璃浆料，采用原位凝固成型工艺结合光固化快速成型技术制备出具有较高力学强度和一定孔隙率的具有有序堆砌孔结构的生物活性玻璃陶瓷支架材料。结果表明，我们制备的这一支架材料是一种部分结晶的生物活性玻璃陶瓷材料，结晶部分为针状Na_4Ca_4(Si_6O_(18))晶体；μCT结果表明支架材料的孔隙率约为61%，基本满足松质骨孔隙率要求；万能力学电子试验机测试结果表明该支架材料的抗压强度约在12.37±1.25MPa，基本满足松质骨力学强度要求。再次，我们将制备的生物活性玻璃陶瓷支架材料浸泡于SBF溶液中，通过观察其表面磷灰石的生成速率来评价其生物活性和矿化能力。实验结果如下：支架材料在浸泡过程中离子溶出的同时伴随着碳酸磷灰石HCA矿化层的生成，磷灰石晶体起初在支架表面成核生长，，14天后覆满了整个表面，说明我们制备的支架材料具有良好的体外矿化能力；通过检测浸泡支架后SBF溶液的变化，发现pH值在第1天呈现一个快速增长趋势，然后增长速率有所减缓，3天后达到一个相对平稳的状态，最终稳定在7.65左右。我们同时对浸泡后支架的重量变化做了记录，发现浸泡1天后支架的重量损失约在8-9%，随后保持稳定，7天后又开始下降，21天后重量损失达到20.7%左右。我们认为重量损失的原因可能是由于支架材料在SBF溶液浸泡过程中的离子溶出导致的，在1-7天浸泡时间段出现的动态平衡，可能是由于支架材料表面的磷灰石矿化生成速率与离子溶出速率一致引起的。我们还通过ICP技术测试了浸泡支架后SBF溶液中离子浓度的变化，发现在24h内溶液中Si离子浓度呈快速增加，24h后仍持续增加但增速变缓，这说明浸泡初期Si离子释放主要由扩散作用控制，24h后还受到磷灰石矿化层的抑制而有所减缓。浸泡24h后，溶液中的Ca~(2+)离子浓度趋向于一个稳定值，可能是因为此时磷灰石的生成速率和支架材料中的离子溶出速率达到了一个动态平衡。溶液中P离子浓度随时间增加呈逐渐降低的趋势，是因为P是生成磷灰石的必须元素，材料中溶解出的P不足也抑制了磷灰石的生长。最后，我们对支架浸泡过程中Si离子的释放动力学进行了研究，发现支架材料中Si元素在0-24小时时间段内的释放基本遵循一级动力学释放模型，此过程属于扩散-溶解控制。支架开始溶解时，材料本身的Si含量较大，而溶液中几乎为0，所以在水分子的扩散-释放机制作用下，Si的释放速率在浸泡初始阶段较大，而后趋向于平缓。最后，我们还探讨了规则孔隙结构与不规则孔隙结构的支架材料对成骨细胞粘附、增殖的影响。实验采用成骨细胞MG-63为细胞模型，经过一天的共培养，扫描电镜观察发现大量细胞已经伸出伪足并紧紧粘附在支架材料上，并通过MTT法检测细胞的增殖情况，结果发现规则孔隙结构支架材料上的细胞活性明显高于不规则孔隙结构支架材料上的细胞活性，并且两者具有统计学显著性差异。
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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】：2013
【分类号】：R318.08

【参考文献】