β-硅酸二钙骨修复支架材料的制备和性能研究

发布时间：2020-04-02 20:36

【摘要】：创伤、肿瘤、生理性退化等因素造成的各类骨缺损严重损害着人类的健康,对于骨缺损修复的临床需求也更为迫切和重要。由于骨缺损类型众多,对相应骨修复材料的性能需求也不尽相同。因此,研究出具有针对性的支架材料成为骨缺损修复成功的关键因素之一。本论文以新型生物活性材料β-硅酸二钙作为研究对象,针对其不同性质分别构建陶瓷支架、自固化支架和复合支架,并对其相关材料学和生物学性能展开一系列基础性研究。(1)围绕β-硅酸二钙的陶瓷性质,探讨造孔剂法和模板法制备高强度β-硅酸二钙陶瓷支架的方法和机理,以满足承重骨修复对支架力学强度的需求。当造孔剂炭颗粒含量为50%,粒径为300-500μm,烧成温度为1250°C时,制备出开孔率为64.25%的陶瓷支架。MG-63细胞可在其表面黏附与增殖,表明支架具有良好的生物相容性。以聚氨酯海绵作为模板,制备出具有高强度的β-硅酸二钙陶瓷支架,该支架抗压强度最高可达28.13MPa。模拟体液浸泡实验表明,14d后可在支架表面诱导生成致密磷灰石沉积层,表现出优异的生物活性。细胞实验表明MG-63细胞能在支架表面良好黏附,生长7d后已大量增殖且迁移至支架内部,进一步的Alamar Blue实验表明支架浸提液能够有效促进细胞增殖,表明陶瓷支架具有优异的生物相容性。研究MG-63细胞生长在β-硅酸二钙陶瓷支架以及联合生物反应器力学刺激条件下相关基因转录水平的变化可以发现,β-硅酸二钙陶瓷支架能够促进细胞上调整合素配体β1、细胞外基质COLI和FN从而促进细胞黏附。陶瓷支架及同时联合力学刺激均能够促进FN和TGF-β1转录水平上调,有益于成骨细胞的增殖;能够促进ALP转录水平上调,有益于细胞成骨钙化。最后,裸鼠皮下植入实验表明β-硅酸二钙陶瓷支架具有优异的异位成骨能力。(2)基于β-硅酸二钙自固化性质,探讨低温自固化β-硅酸二钙支架的制备方法,为进一步构建复杂骨组织结构的自固化支架提供基础。通过合理改进Pechini法配方,制备出游离氧化钙含量低至0.36%,粒径约为120nm的β-硅酸二钙颗粒。采用磷酸氢钙(DCPA)掺杂改善β-硅酸二钙自固化性质,20%DCPA含量的β-硅酸二钙自固化样品(C8D2)养护1d后强度最高提升至5.29 MPa。相比于纯β-硅酸二钙自固化样品(C2S),C8D2水化速度更快,水化产物由C-S-H、Ca(OH)_2、HA和傅钙硅石构成。利用β-硅酸二钙的低温自固化性质,采用Na Cl作为造孔剂,结合粒子溶出的方法,制备出C2S和C8D2自固化支架,支架开孔率约为75%,孔径200-500μm,且具有良好的连通孔结构。浸泡模拟体液14d后,自固化支架能在其表面诱导形成由羟基磷灰石和三斜磷钙石两种磷灰石晶体层,表现出良好的生物活性。MG-63细胞能在支架上良好地黏附和增殖,支架浸提液则能显著促进细胞增殖,培养7d时,C2S和C8D2浸提液组细胞增殖率分别达到了17.5倍和18.8倍,表现出良好的生物相容性。细胞生长过程中,C8D2自固化支架通过调控MG-63细胞BMP-2和BMP-6转录上调来促进细胞增殖,上调OPG并抑制IL-6转录来促进细胞的成骨活性,并通过上调ALP转录水平促进细胞成骨钙化。(3)将β-硅酸二钙颗粒作为生物活性成分与小肠粘膜下层(SIS)材料复合,通过调控制备工艺,制备功能化的致密-多孔双相复合骨修复支架,实现致密层阻挡内皮细胞和成纤维细胞迁移,多孔层促进成骨细胞增殖和成骨相关基因转录的功能化设计目标。当SIS浓度0.8%,冷冻温度-20°C时,制备的复合支架多孔层具有优异的连通孔结构,孔径约为100μm,开孔率可达到94%,β-硅酸二钙的加入能够改善SIS的亲水性。支架的致密层由胶原纤维纵横交错排列并层叠而成,且胶原纤维间的孔隙由细胞外基质所填充,对细胞迁移具有良好的阻隔效果。细胞形貌表明复合支架的致密层对内皮细胞HUVEC和成纤维细胞HTFT具有良好的细胞相容性,但HE染色结果没有发现细胞向多孔层迁移的情况,表明其对细胞迁移具有有效的阻隔作用。MG-63细胞能够在复合支架多孔层良好黏附且快速增殖,表明支架优良的生物相容性。细胞生长过程中,复合支架能够促进MG-63细胞细胞增殖相关基因TGF-β1、FN,成骨相关基因BMP-2、BMP-4、BMP-6和成骨分化成熟相关基因RUNX2、OSX、ALP转录水平上调。综上所述,本论文针对不同骨缺损修复策略,设计并系统研究不同性质β-硅酸二钙骨修复支架,分别制备具有高力学强度的陶瓷支架,易塑形的低温自固化支架和功能化的双层结构复合支架。制备的支架均具有合适的开孔率和孔隙结构,良好的生物相容性和生物活性,能通过不同基因调控途径促进成骨细胞黏附、增殖、成骨等生命活动,有益于骨组织修复,有望作为骨修复支架应用于临床。
【图文】：

示意图,分级结构,示意图,胶原纤维

β-硅酸二钙骨修复支架材料的制备和性能研究织是胶原分子和 HA 晶体按特定取向排列的组装结构。I 型胶原是直径约 1.5nm 和长度约 300nm 的三股多肽链缠绕形成的螺旋结构，HA 为长宽约为 50×20nm，厚度为 3nm 的板状晶体，它的结晶方向沿胶原纤维的长轴分布，晶体的中心轴(c 轴)与胶原纤维的长轴平行，并沿着胶原纤维呈周期性交错排列，这样即构成了骨的基本结构单元—矿化的胶原纤维。在纳米尺度上，矿化的胶原纤维定向排列集结成为直径约 500nm 的胶原束，这些胶原束进一步通过不同取向排布，层层叠加，在微米尺度上形成了骨板（osteon）。骨表面排列的为外环骨板，围绕骨髓腔排列的则为内环骨板，内、外环骨板之间为呈同心圆排列的骨板，即哈弗斯氏管（Haversian canals），这些骨单位紧密排列，在宏观尺度上形成皮质骨。皮质骨孔隙率非常低，大约只有 3-5%，其强度非常高，主要起到保护和支撑作用。皮质骨内层则为松质骨，松质骨是由骨小梁（由不规则排列的骨板和骨细胞构成）形成的三维多孔状结构，其孔隙率远高于皮质骨（约 30-90%），松质骨的孔隙中充满骨髓。

示意图,自固化,硅酸钙,原理

磷酸钙自固化材料与磷酸钙陶瓷类似，具有良好的生物相容性和骨传导性架表面会直接形成类骨质与骨组织结合，而不会形成软组织界面。结合 CPC的低温自固化性质，研究者们进一步将 CPC 与其它物质进行复合改性。如利PC 作为载体，，将调控细胞生命活动的细胞生长因子或中药有效成分与 CPC复合，可提高其骨诱导和促新骨生成的能力[92-94]。另外，将高分子材料海藻[95]、壳聚糖[96, 97]等作为增强相与 CPC 复合，可改进其理化性能和生物学性能.4.2.2 硅酸钙自固化支架硅酸钙自固化材料是利用传统水泥行业中硅酸三钙和硅酸二钙的水硬性质基础来展开研究的。如图 1.2 所示，当硅酸三钙或硅酸二钙与水接触时，Ca2iO44-很快进入溶液，颗粒表面形成 Si O 网络，随后颗粒表面形成纳米级的无水合硅酸钙(C-S-H)凝胶，同时 Ca(OH)2晶体成核、生长并聚集在凝胶毛细孔，随着水化时间的延长，硅酸钙进入硬化阶段，C-S-H 凝胶逐渐转变为晶体体逐渐长大并交织在一起，从而产生强度[98, 99]。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08

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