铈掺杂β-磷酸三钙磁性壳聚糖支架的制备及其在骨修复中的应用

发布时间：2020-05-29 08:44

【摘要】：骨作为人体最大的具有生命的坚硬的组织器官,承担着非常重要的生命活动的职责,但由于人口老龄化、各类骨科疾病以及骨创伤等原因,极易引起缺损。因此,寻找更多更好的骨组织替代物一直是生物医用材料领域研究的重点和热点。生物陶瓷中的b-磷酸三钙(b-TCP)因其与自然骨成分的相似,使其天然的具有成骨性能和良好的生物相容性。壳聚糖(CS)作为天然多糖,与磷酸三钙一样被广泛的应用在骨修复材料中。稀土离子Ce~(3+)半径与钙离子半径相似,而电荷相较钙离子更大,对细胞内的钙离子位点更具亲和力,因此可能影响骨细胞的功能和干预骨重建过程。本研究采用三步煅烧法制备b-TCP粉末材料以及掺杂稀土元素铈的磷酸三钙(Ce/b-TCP)粉末;采用水热法制备出四氧化三铁(Fe_3O_4)粉末。进而采用混合法和冷冻干燥法相结合的方式,分别将b-TCP与CS复合、Ce/b-TCP与CS复合,Ce/b-TCP与Fe_3O_4、CS复合,制备出磷酸三钙/壳聚糖多孔支架(b-TCP/CS)、铈掺杂磷酸三钙/壳聚糖多孔支架(Ce/b-TCP/CS)以及铈掺杂磷酸三钙/壳聚糖磁性多孔支架(Ce/Fe/b-TCP/CS)。利用XRD、SEM、TEM、FTIR等检测手段对制备出的材料进行形貌、官能团、化学组成、物象结构等分析测定。采用三步煅烧法所制得的b-TCP粉末以不规则的小颗粒的形式团聚在一起,颗粒粒径大小约为2~4mm。在同样利用三步煅烧法掺杂稀土元素Ce后制备出的粉末仍以不规则的小颗粒的方式存在,粒径大小并未发生明显改变,因其晶胞参数的变化对其小颗粒的形貌产生了一定程度上的变化。采用混合法和冷冻干燥法制备出的b-TCP/CS多孔支架、Ce/b-TCP/CS多孔支架以及Ce/Fe/b-TCP/CS多孔支架均具有立体交互的三维多孔结构,三维多孔结构除了使材料具备一定类似天然骨的机械强度、生物活性和化学结构外,其孔道结构通过新陈代谢进行营养物质的运输、废物的代谢等,磷酸三钙粉末和稀土粉末颗粒被壳聚糖颗粒所形成的薄膜包裹或是附着在壳聚糖上形成薄膜表面。以人脂肪间充质干细胞(hADSCs)和人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)为模型,利用碱性磷酸酶染色、茜素红染色、CCK-8试剂盒、免疫蛋白印记、荧光三标以及Micro-CT等方法对制备出的材料进行体内和体外的生物学实验,以验证其生物相容性以及骨诱导性。hADSCs与hBMSCs细胞培养实验证明,制备出的b-TCP/CS多孔支架、Ce/b-TCP/CS多孔支架以及Ce/Fe/b-TCP/CS多孔支架均具有良好的生物相容性以及骨诱导性,细胞均能在材料上得以铺展、黏附和生长,无明显的毒副反应。而当稀土元素Ce~(2+)的浓度控制在一定范围(0~10mm)内时,对细胞的增殖分化有促进作用,而当稀土元素Ce~(2+)浓度高达100mm后则会对细胞的生长表现出抑制作用。通过细胞活性和Micro-CT等也发现了选用混合法将Fe_3O_4掺杂进入支架材料中,对于细胞的生长黏附、对于小鼠颅骨缺损的修复具有一定的促进作用。综上所述,铈掺杂磷酸三钙/壳聚糖三维多孔复合支架材料对于骨缺损修复具有重要的意义和广阔的应用前景。
【图文】：

缺少骨诱导性并且随着时间的推移会逐渐磨损，并不能真正的代替人体骨由此人们开始着眼于人工合成骨修复材料，不仅在来源上不受限制，且廉，并具有良好的可加工性能。目前人工合成的各种骨修复材料中，生人工骨是这个领域主要的研究内容之一，生物陶瓷是一种以磷酸钙盐为分的生物材料，，它不仅具有与自然骨类似的成分和体相结构，还具有很物相容性和骨传导性。植入人体后能很快的与机体组织组织结合，并诱织的生长和增殖，最终达到形成新的骨组织的目的。其具有的另一个优时具有很好的生物降解性，即在植入人体后能够以一定的速率有效降解主要产生钙（Ca）、磷（P）元素，可以参与人体的正常新陈代谢，且对毒、无害、无致癌作用。根据研究，将医用金属材料、高分子材料和生材料的各方面性能加以比较，在机体亲和性方面：生物陶瓷>塑料材料、料；在表面稳定性方面：生物陶瓷>塑料材料>金属材料；在材料硬度方物陶瓷、金属材料>塑料材料；在耐热性方面：陶瓷材料>金属材料>塑料在热传导性能方面：金属材料>生物陶瓷>塑料材料；而在可加工性方面材料、塑料材料>生物陶瓷[6]。

图 1-2 骨骼的层级结构[108]传统的复合支架具有良好的生物相容性和骨传导性，但却在骨诱导性方面有所欠缺，因此提高多孔复合支架的骨诱导性具有重要意义。为解决这一问题，目前主要有两种种方案：1、在多孔支架材料上负载生长因子（如 VEGF、BMP-4、IGF 等）[29-40]。2、在外加磁场的作用下操纵细胞行为，诱导成骨细胞生长和分化（Fe3O4、SrFe12O9等），但由于生长因子价格昂贵、大剂量的生物因子进入体内容易造成局部积聚，对细胞产生毒性，导致破骨细胞功能亢进、成骨收到抑制等副作用，难以达到理想的临床效果[41-44]。而磁场可以诱导成骨细胞生长和分化，提高生长因子的表达水平，加速在骨缺损部位的新骨生成[45-46]。由于 -磷酸三钙（ -TCP）自然成分与人体骨组织元素相似，因此具有良好的生物相容性、骨传导性和生物降解性。壳聚糖（CS）具有良好的生物相容性、生物降解性、促成骨性和抗菌性[47-52]。因此，我们提出了兼具多孔结构、良好的力学性能、良好的生物相容性、生物降解性、骨传导性和骨诱导性的以 -TCP为无机组分，CS为有机组分，Fe3O4作为磁性颗粒的复合材料。
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;R68;R318.08

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 郭誉;刘咏;谭彦妮;周睿;韦伟;汤菡纯;;放电等离子烧结钛基磷酸三钙陶瓷复合材料的力学性能与生物活性[J];粉末冶金材料科学与工程;2017年04期

2 刘胜亮;朱舒亮;李静;杨越;李建贵;;不同有机酸对磷酸三钙溶解能力的研究[J];江西农业大学学报;2017年05期

3 ;贵州省磷酸三钙单套生产装置投产[J];粮食与饲料工业;2013年05期

4 郭凤云;;等离子体发射光谱法测定食品级磷酸三钙中铬的含量[J];分析仪器;2011年04期

5 高金睿;张睿;唐乃岭;王志强;;掺炭煅烧法制备α-磷酸三钙粉体[J];大连工业大学学报;2010年05期

6 张树潮;;骨质瓷中磷酸三钙含量检测的不确定度评定[J];佛山陶瓷;2009年12期

7 宋宏杰;;α-磷酸三钙骨水泥修复兔颅骨缺损实验研究[J];现代临床医学;2008年04期

8 王芳;隋万美;;无水硫酸钙/α-磷酸三钙骨水泥的制备与性能[J];硅酸盐通报;2007年04期

9 宋宏杰,梁星,骆筱秋,陈明,孙惠强;α-磷酸三钙骨水泥修复骨缺损及其降解物诱导成骨的实验研究[J];四川大学学报(医学版);2005年06期

10 黄哲玮,卢建熙;多孔磷酸三钙的细胞毒性研究[J];口腔材料器械杂志;2003年02期

相关会议论文 前10条

1 赵萍;孙康宁;;α—磷酸三钙生物骨水泥的制备[A];第十三届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2004年

2 刘小果;林开利;常江;;无助剂水热转化α-磷酸三钙调控羟基磷灰石微观晶体形貌[A];生物材料与再生医学的现状与未来——2010年第十届上海地区医用生物材料研讨会论文摘要汇编[C];2010年

3 储新宏;赵萍;任学华;冯志强;;β相与α相磷酸三钙骨水泥材料性能研究对比[A];第十五届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2008年

4 时子文;祝颂松;;磷酸三钙-鸡蛋清复合微球在颅骨新骨生成的实验研究[A];第十四次中国口腔颌面外科学术会议论文汇编[C];2018年

5 干耀恺;戴\戎;汤亭亭;张蒲;孙月华;朱振安;;生物复合新型材料———自体富集干细胞快速复合多孔beta-磷酸三钙促进骨再生[A];2005年上海市生物医学工程学会学术年会论文集[C];2005年

6 戴红莲;曹献英;闫玉华;李世普;卢旭辉;;可降解磷酸钙陶瓷体内植入后的超微结构研究[A];2002年材料科学与工程新进展（上）——2002年中国材料研讨会论文集[C];2002年

7 韩要丛;崔学民;昝青峰;王晨;董利民;;α-磷酸三钙水化法制备羟基磷灰石晶须研究[A];第15届全国晶体生长与材料学术会议论文集[C];2009年

8 李延报;翁文剑;程逵;杜丕一;沈鸽;韩高荣;;具有生物降解特性可控的磷酸钙材料制备研究[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年

9 李杰;刘青;孙霄;商蒙蒙;时丹丹;宁松;程琳;;彩色多普勒闪烁伪像对泌尿系含钙结石诊断价值的实验研究[A];中国超声医学工程学会第三届全国介入超声医学学术会议论文汇编[C];2015年

10 张法明;常江;卢建熙;;磷酸三钙多孔生物陶瓷支架的仿生设计、制备与性能[A];2006年上海市医用生物材料研讨会论文汇编[C];2006年

相关重要报纸文章 前10条

1 杨质高;云南省开发出食品级磷酸三钙产品[N];中国食品安全报;2011年

2 ;磷酸三钙[N];中国畜牧兽医报;2008年

3 黄喜文;瓮福大型单套饲料级磷酸三钙装置投产[N];中国畜牧兽医报;2013年

4 本报瓮安记者站 顾桥;年产10万吨脱氟磷酸三钙项目落户瓮安[N];黔南日报;2011年

5 杨志;瓮福将建全国最大TCP装置[N];中国化工报;2011年

6 潘金洪;贵州双龙集团脱氟磷酸三钙项目开工建设[N];黔南日报;2011年

7 杨志 黄朝华 记者 吴宏;瓮福拟建中国最大TCP装置[N];经济信息时报;2011年

8 陈贵善;磷肥与粪便堆沤施用好[N];云南科技报;2004年

9 刘莉;磷肥粪便堆沤效果好[N];中国特产报;2005年

10 本报记者 王鲁铨;黔南州第三届旅游发展大会签约投资43亿元[N];贵州日报;2010年

相关博士学位论文 前9条

1 官丙刚;类骨结构胶原纤维基多孔磷酸三钙/胶原复合材料的制备及其生物学评价[D];浙江大学;2008年

2 钟达;强化磷酸三钙/富血小板血浆凝胶复合支架材料的制备及在体内成骨的研究[D];中南大学;2008年

3 吕晟宇;脂肪间质干细胞结合β磷酸三钙局部移植及系统应用活性维生素D修复骨缺损的作用研究[D];山东大学;2015年

4 李奇;可注射性a-磷酸三钙复合人工骨的成骨性能及生物力学研究[D];第一军医大学;2006年

5 刘金钟;血管内皮细胞和α-磷酸三钙促进骨髓基质干细胞成骨分化作用的研究[D];吉林大学;2013年

6 李轶;PCL-TCP颈椎椎间融合器设计制备及动物体内研究[D];第四军医大学;2014年

7 张学慧;明胶/磷酸三钙复合纳米纤维膜的成骨诱导机制及骨修复应用研究[D];吉林大学;2012年

8 李大伟;骨结核治疗用局部长效药物缓释复合材料研究[D];南方医科大学;2016年

9 乔志伟;石灰性土壤溶磷细菌的筛选鉴定及在复垦土壤上的应用[D];山西农业大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘嘉昱;铈掺杂β-磷酸三钙磁性壳聚糖支架的制备及其在骨修复中的应用[D];上海师范大学;2019年

2 宋禹衡;胶原蛋白/磷酸三钙复合材料与牙本质颗粒成骨效果的比较研究[D];大连医科大学;2018年

3 闵昌琴;β磷酸三钙复合A-PRF诱导骨微观结构和生物力学性能的研究[D];西南医科大学;2018年

4 宋晓佳;脂肪间充质干细胞膜片复合仿生多孔磷酸三钙（β-TCP）/I型胶原（COL-I）支架的成骨研究[D];浙江大学;2017年

5 吴泽宏;镁/磷酸三钙生物降解复合材料的制备及性能研究[D];重庆大学;2010年

6 李佩祺;α-磷酸三钙/胶原复合体与自体骨骨修复能力比较[D];南方医科大学;2015年

7 王春来;银—磷酸三钙纳米粒/海藻酸盐抗感染材料研究[D];中国人民解放军军事医学科学院;2016年

8 潘京诗;自体骨、同种异体骨、多孔磷酸三钙及异种骨治疗股骨干粉碎性骨折的疗效比较[D];苏州大学;2009年

9 袁媛;α-磷酸三钙生物活性骨水泥的研究[D];四川大学;2006年

10 叶铄;β磷酸三钙复合抗结核微球的体外、体内释药研究[D];甘肃中医药大学(原名：甘肃中医学院);2015年

本文编号：2686682