鱼骨来源BCP多孔陶瓷骨支架的制备及性能研究

发布时间：2020-04-23 15:05

【摘要】：研究目的以多种鱼类鱼骨为原料,通过高温煅烧筛选能制备出含有HA/β-TCP双相磷酸钙(BCP,Biphasic calcium phosphate)成分的鱼类,研究不同煅烧温度对鱼骨来源BCP成分和结构的影响,并深入探讨鱼骨通过煅烧能够产生BCP的原因。通过一系列简便可行的方法制备一类鱼骨来源的BCP多孔陶瓷骨支架材料,并对其成分、结构、细胞毒性以及动物体内的生物相容性以及骨诱导性能进行研究。通过本课题的研究,为将来新型骨缺损修复材料的研制和临床使用奠定基础。研究方法实验一高温煅烧法筛选并制备鱼骨来源BCP。以鲑鱼、裸盖鱼、沙丁鱼、乌鳢、鲫鱼、巴沙鱼6种鱼类鱼骨为原料,采用高温煅烧法结合XRD分析,筛选出煅烧后能够产生HA/β-TCP双相磷酸钙成分的鱼类。通过改变煅烧温度,利用XRD、FTIR和SEM对不同煅烧温度下生成的鱼骨来源BCP进行表征,研究煅烧温度对生成的BCP成分、晶粒尺寸和微观结构的影响,为下一步制备鱼骨来源BCP多孔陶瓷骨支架材料确定最佳的煅烧温度。利用TGA研究鱼骨煅烧过程中的热稳定性和组分变化。采用ICP-OES和XRF对鱼骨来源BCP的Ca/P比及微量元素进行测定。实验二鱼骨来源BCP多孔陶瓷骨支架材料的制备、表征与细胞毒性。通过煅烧、过筛、清洗、干燥、消毒等一系列工艺制备鱼骨来源BCP多孔陶瓷骨支架材料,利用SEM、压汞仪、比表面积仪等设备对支架材料的三维空间孔隙结构和微观表面结构进行表征。提取和培养人骨髓间充质干细胞(hBMSCs),依据国标GBT_16886.5-2003制备材料的浸提液,将hBMSCs与材料浸提液共培养1、3、5天,利用CCK-8法和Live/dead染色法检测材料对细胞增殖能力的影响。在小鼠一侧臀部肌群构建肌袋异位成骨模型,将制备出的材料植入肌袋。术后8周处死动物,将材料连同周围部分组织取出制作石蜡切片,通过HE和Masson染色再次明确动物体内的生物相容性,并对支架材料的骨诱导性能进行初步探索。研究结果实验一经过高温煅烧,只有鲑鱼、裸盖鱼、沙丁鱼三种鱼骨能生成主要成分为HA和β-TCP的双相磷酸钙产物。当煅烧温度从600℃到1100℃变化时,发现:三种鱼骨在700℃或以上的温度煅烧就能够生成BCP,β-TCP含量根据鱼类和煅烧温度的不同在12.1%到49.0%之间变化,Ca/P比在1.5-1.67之间,同时还存在碳酸化羟基磷灰石和多种微量元素。随着煅烧温度的升高,大部分有机成分被去除,当煅烧温度超过900℃时,碳酸化羟基磷灰石成分消失。煅烧温度的升高还会引起BCP晶粒尺寸不断增大并影响颗粒间介孔结构。因此,800-900℃为煅烧鲑鱼、沙丁鱼、裸盖鱼鱼骨的最佳温度。实验二通过高温煅烧、过筛、清洗干燥、灭菌等一系列简便可行的制备工艺,我们将鲑鱼、裸盖鱼、沙丁鱼三种鱼骨转化成BCP多孔陶瓷骨支架材料(鲑鱼在900℃煅烧命名为Sa 900,裸盖鱼在800℃煅烧命名为An 800,沙丁鱼在900℃煅烧命名为Sd 900)。通过对三种支架材料的成分和结构进行对比研究发现,Sa 900具有最多的β-TCP成分,达到49.0%,An 800具有较多的开放大孔和最高的总孔隙率,达到74.8%,Sd 900具有最高的比表面积,达到23.527m~2g~(-1)。细胞毒性实验和Live/dead细胞染色证实三种材料不仅对细胞没有明显的细胞毒性,其中Sa 900还对人骨髓间充质干细胞具有一定的促增殖作用。利用小鼠肌内异位成骨模型,通过HE和Masson染色,观察到Sa 900、An 800、Sd 900三种材料周围和内部孔隙内均有成骨细胞样细胞出现和类骨质形成。虽然未见新生骨组织生成,但本实验的结果还是可以说明本课题制备的三种鱼骨来源BCP多孔骨支架材料具备一定的促进基质细胞向成骨细胞样细胞分化的骨诱导性能。结论通过高温煅烧并结合XRD分析,发现鲑鱼、裸盖鱼和沙丁鱼三种鱼类在800-900℃煅烧时,鱼骨中有机物大部分被去除,生成的BCP产物所含β-TCP成分较多,且保留了碳酸化羟基磷灰石和多种微量元素,所形成的BCP晶粒尺寸大小均匀,晶体结晶度高,并存在均匀分布的天然纳米级介孔结构。采用这三种鱼骨为原料,通过高温煅烧、过筛、清洗干燥、灭菌等一系列制备工艺,将鱼骨转化成具有HA/β-TCP双相磷酸钙成分的多孔陶瓷支架材料,保留了鱼骨原有的天然三维孔隙结构,具有较高的孔隙率和比表面积,通过细胞毒性实验证实了这三种材料具备良好的生物相容性,并通过小鼠肌内异位成骨实验发现三种鱼骨来源BCP多孔骨支架材料具备一定程度的骨诱导性能,具有成为一种新型临床医用骨支架材料的可能性。
【图文】：

鱼骨,巴沙,乌鳢,沙丁鱼

（四）热重分析将步骤（二）筛选出的鱼类未煅烧鱼骨干燥后放入热重分析仪（TGA），将样品从室温加热到 1000℃，升温速率为 10℃/min，以检测各类鱼骨温度-质量变化关系，辅助成分分析。（五）Ca/P 比及微量元素分析通过 X 射线荧光光谱分析（XRF)和电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES），测定步骤（二）筛选出的鱼类在 900℃煅烧出的骨块 Ca/P 比和其他微量元素含量百分比。四、研究结果（一) 鱼骨来源 BCP 的筛选如图 1.1 所示，6 种鱼鱼骨通过 1000℃的高温煅烧后，乌鳢、鲫鱼和巴沙鱼这三

沙丁鱼,鲑鱼,煅烧温度,衍射峰

制备 BCP 多孔骨支架材料的原料。（二）煅烧温度对鱼骨来源 BCP 成分和结构的影响1.物相和结晶度分析图 1.2 为不同烧结温度制备的鱼类来源 BCP 的 XRD 图谱。从 XRD 图谱中可以看到，，三种鱼骨煅烧前成分均为 HA （JCPDS No.72-1243），未出现其他成分的衍射峰。此时衍射峰宽而短， HA 结晶度低，晶粒尺寸小。随着煅烧温度的升高，HA 的衍射峰呈现出窄而尖的变化趋势，提示 HA 的结晶度随着煅烧温度的变化而升高，晶粒尺寸也在不断增大，体现了晶体在高温煅烧过程中的聚合增长现象。在 600-1100℃的煅烧过程中（600、800、1000℃三个温度的图未显示），鲑鱼、裸盖鱼、沙丁鱼煅烧骨从 700℃开始出现 β-TCP（JCPDS No.70-2065）成分，且随着煅烧温度的变化，HA 和 β-TCP 的含量比也发生变化。除 HA 和 β-TCP 以外，XRD 衍射图中未能检测出现其他的微量成分，因此将煅烧产物当成双相成分进行定量分析。
【学位授予单位】：中国人民解放军海军军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08

【参考文献】