羟基磷灰石硅酸根功能化掺杂改性及其对骨矿化促进作用的机理研究

发布时间：2019-03-06 13:22

【摘要】：随着社会的发展,材料学、生物医学工程等相关学科的不断进步,简单的生物活性材料已经无法满足人们对生物材料更高的要求。对现有生物材料进行功能化改性将赋予这类材料更优异的生物活性和特定的功能性,是实现生物材料更新换代的基础和保证。羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)是动物天然骨组织的主要无机成分,具有良好的生物相容性,被广泛应用于生物医学领域。在本课题研究中,我们根据HA材料用于骨缺损修复的特点,对其进行了原硅酸根掺杂改性,制备出硅酸根掺杂羟基磷灰石(silicate doped hydroxyapatite, Si-HA)材料,并对材料的物相组成、精细结构、生物相容性进行了研究,探索并提出Si-HA对骨矿化促进作用的机理和材料-细胞作用途径。本论文研究内容具体包括以下三个方而： 1.纳米Si-HA的制备、表征和精细结构分析。以醋酸硅为硅源,利用湿化学沉淀法制备出不同Si含量的一系列纳米Si-HA,纳米微粒无明显团聚。FTIR检测表明Si以Si044-的形式进入Si-HA品格中,OH-因维持分子内电荷守恒而部分流失。XRD结果表明低Si掺杂量(O-1.6wt%)的Si-HA主相为HA相,Si掺杂进一步增多后材料物相不稳定,杂相较多；1250℃高温烧结会使Si-HA产生TCP杂相,并随着Si掺杂量的增加,TCP相逐渐增多并成为主相。Rietveld精修结果显示,随着Si掺杂量的增加,Si-HA晶胞a轴逐渐增长,c轴增长后在Si掺杂量达到0.8wt%时趋于稳定,晶胞的总体积增大；Si-HA晶粒沿c轴和垂直c轴方向的长度均逐渐缩短,与TEM观测结果相符；沿两个方向的微应变在Si含量为0-1.2wt%时较稳定,但Si掺杂量到达1.6wt%时材料微应变大大增加,表明此时杂相增多,品格畸变显著；计算所得P-O平均键长随着Si掺杂量的增加逐渐增长,表明材料品格中中原磷氧四而体的位置正逐渐被体积更大的硅氧四而体所占据。 2. Si-HA的生物相容性评价和生物活性研究。通过体外Ca-P沉积实验研究,我们证明Si-HA具备良好的生物活性,Si的掺入使晶体的晶粒变小,烧结后品界增加,为材料提供了更多的Ca-P沉积成核位点,从而提高了材料的生物活性。通过电镜观察和细胞(大鼠骨髓间充质于细胞,bMSCs)增殖实验证明,Si-HA具有良好的生物相容性,bMSCs在Si-HA上生长和增殖情况良好,Si的掺杂对HA良好的生物相容性没有影响,并且0.8%和1.2%Si-HA较纯HA更能促进bMSCs的增殖,具有良好的生物相容性和生物活性。bMSCs在多孔Si-HA支架上表现出良好的活性,细胞的贴附、生长、迁移等活动证明了多孔Si-HA支架良好的生物相容容性；在Si-HA支架上的细胞外基质分泌明显多于纯HA支架上的细胞,表明Si-HA具有促进细胞外基质分泌的良好活性。 3. Si-HA对骨矿化促进作用的机理研究。脯氨酰-4-羟化酶(P4H)是胶原生物合成的关键酶,其活性直接影响胶原的分泌。通过ELISA检测,我们证明了Si掺杂量为0.8wt%的Si-HA能够提高bMSCs中的P4H活性,表明Si元素的掺杂能够加快胶原的生物合成、促进骨矿化；免疫组化荧光染色观察结果进一步证明Si-HA对bMSCs中P4H的活性具有较好的提高作用。根据上述研究结果,我们提出了Si-HA对骨矿化促进作用的机理和作用途径——P4H途径,在该途径中,Si-HA释放出Si044-,进入细胞的粗而内质网腔中与拮抗P4H活性的A13+发生反应生成硅铝酸盐,解除A13+对P4H活性的抑制作用,从而加快胶原的生物合成,促进骨矿化。
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【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.08

【参考文献】