纳米氧化锆骨组织工程支架的性能优化及体内成骨研究

发布时间：2017-06-23 20:04

  本文关键词：纳米氧化锆骨组织工程支架的性能优化及体内成骨研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：研究背景：口腔颌面部常因肿瘤、外伤、先天性缺陷或其他因素导致下颌骨缺损,从而造成不可恢复的面部畸形和功能障碍,以至于患者的身体和心理健康受到不同程度的伤害,引发焦虑和紧张不安的情绪,与人沟通发生障碍。骨移植术是治疗骨缺损的重要手段,其中自体骨移植一直被认为是骨缺损修复治疗的“金标准”,在其移植3-6个月之后便可以基本完成骨缺损修复,具有较高的治愈率。但自体骨来源极为有限,在取材时易造成取骨部位二次创伤,使病人痛苦增加,治疗时间增长,甚至出现并发症,且不能用于修复大面积骨缺损；同种异体骨、异种骨、脱钙骨基质等外源骨存在来源困难、免疫排斥反应、伦理问题以及感染潜在的病原体(如HIV病毒、肝炎病毒)等不足。近二十年来,组织工程学的研究和发展为骨组织缺损修复的方法提供了新的发展思路。将具有多向分化潜力的种子细胞在体外培养增殖到一定数量后接种到人工支架材料上,再将此细胞支架复合物移植到体内,最终达到重建或修复组织及器官缺失；这一概念的提出为骨组织缺损带来了新的福音,在解决口腔颌面部骨缺损中显示出良好的发展前景。骨组织再生工程的发展基于我们对生物骨、干细胞生物学和组织工程技术的了解。骨组织工程原理包括支架材料、种子细胞和成骨因子三个方面。支架材料与种子细胞共同构成骨组织工程的核心——三维空间复合体。支架材料在骨缺损部位搭建了一个有利于种子细胞附着、生长、增殖以及分化的空间结构,同时支架的多孔仿生结构能模拟人体骨的三维结构,使人体骨细胞能够顺利进入支架内生长,满足新生骨以及新生血管在其中生长再生的特定微环境的要求,并能结合生长因子调节细胞的生长分化,最终恢复骨缺损区的形态和功能。同时,支架应保证具有足够的机械强度,在骨缺损完全修复前支架能够起到良好的稳定支撑作用,维持缺损部位正常的生理运动。目前,临床上用于骨组织工程的骨替代物支架材料包括同种异体骨、异种骨和人工合成骨等,各种材料都有自己的优势和缺点。自体骨、同种异体骨、异种骨最主要的应用限制就是来源有限,不能满足临床骨缺损修复的需求。因此研究具有优异的生物相容性及一定的机械强度的理想的人工骨替代物支架材料是目前骨组织工程研究的一个热点,常见的材料包括磷酸三钙、羟基磷灰石、氧化铝、氧化锆以及生物玻璃等。氧化锆陶瓷,被称为陶瓷钢,结构本身特有的相变效应,无细胞毒性、不释放有害物质,能在体内稳定存在,机械性能优良(压缩强度最高可达2000 MPa,抗弯强度可超过900 MPa,断裂韧性约为7 MPa·m1/2),是目前公认的最具发展的生物材料,已用于口腔全瓷修复以及人工髋关节替代物,将其引入骨组织工程,构建三维联通多孔氧化锆支架,能表现出明显的优势。近年来,随着骨组织工程的研究进展,多孔陶瓷因具备可调的孔隙率、气孔形状、孔径、三维联通结构以及一定的机械强度等特点而越来越受到关注。采用制备多孔陶瓷的方法制备出具有优良的生物相容性和一定的机械性能的多孔支架成为骨组织工程支架研究领域的热点。制备多孔陶瓷的方法有很多种,如颗粒堆积法、冷冻干燥法、模板复制法、溶胶凝胶法、静电纺丝法等,其中Schwartzwalder和Somers发明的模板复制法最简单便捷,制备的多孔陶瓷孔隙率高达70%-90%,且具有三维联通网络骨架和相互贯通气孔结构,在结构和性能上具有类似于自然骨,模拟了自然骨的生理形态,能促进细胞和组织向支架内部生长。该方法中将制备好的浆料均匀地涂覆在有机多孔模板上后去除多余的浆料,干燥后高温烧结去除模板,最终获得具有多孔结构的陶瓷支架。模板复制法制取的多孔支架成品的影响因素包括：对模板的预处理、对浸渍浆料特性以及各种添加剂的作用的认识、成型工艺的优化及烧结程序的精准设定等。采用酸或碱溶液对有机多孔模板进行预处理可以有效的改善其与浆料之间的黏附性,增加了模板的挂浆量,保证了烧结过程坯体不易塌陷。浆料主要包括陶瓷粉料,溶剂和添加剂三种成分。为了获得具有尽可能高的固相含量和较好的触变性能的适合浸渍成型的浆料,必须加入一定量的添加剂。这些预处理均能提高最后成型的支架的机械性能,使其更适用于生物实验的体内外研究。目的：采用碱溶液对聚氨酯模板进行预处理,在浆料中添加一定量的分散剂,使其更适用于模板复制法制作过程,研制出机械性能提高的三维联通纳米氧化锆骨组织工程支架,并将犬骨髓间充质干细胞接种在支架上,构建支架细胞复合物,植入犬体内,进行体内成骨实验研究,评估该支架作为细胞载体是否能够在体内形成新骨以及血管再生,进而评价其用于骨组织工程的可行性。方法：(1) 聚氨酯模板碱溶液预处理方式和浆料去除工艺标准化的研究使用氢氧化钠碱溶液预处理聚氨酯模板不同的时间,通过挂浆量的比较以及SEM观察其表面形貌判断合适的处理时间。采用本实验室自行组装的高速离心装置,确定去除多余的浆料的时间。最后用气枪处理模板表面的部分堵孔,防止浆料堵塞模板的孔洞,确定低温烘干时间,最后使用高温烧结炉烧结成型支架。(2) 聚乙烯醇缩丁醛对纳米氧化锆支架机械强度的影响研究采用聚乙烯醇缩丁醛作为纳米氧化锆浆料制备时的分散剂,通过沉降实验、压缩强度测试以及扫描电镜观察判断PVB的最佳添加入量。并添加PVB后是否影响重复浸渍工艺制取的支架孔隙率及压缩强度。浸泡介质法测定氧化锆支架的孔隙率,万能试验机测试其压缩强度。(3) 犬骨髓间充质干细胞附着纳米氧化锆骨组织工程支架的体内成骨研究抽取犬髂骨骨髓,采用全骨髓贴壁分离法分离骨髓间充质干细胞(BMSCs),培养传代扩增至P3代。将支架表面处理后接种犬骨髓间充质干细胞体外继续培养3日。建立犬下颌骨缺损模型,接种犬骨髓间充质干细胞的支架植入犬下颌骨缺损处,通过肉眼观察、CT扫描以及组织磨片染色判断其体内成骨情况。结果：(1) 有机模板碱溶液预处理和浆料去除工艺标准化的研究2mol/L氢氧化钠溶液处理聚氨酯模板的最适宜时间为常温下处理8h。使用氢氧化钠溶液对聚氨酯模板进行预处理可以腐蚀其表面,增加表面粗糙度,边缘锐利有所缓解,增加了浆料与模板之间的黏附性,提高了浆料的挂浆量,改善了挂浆效果。制作工艺标准化为：①2mol/L氢氧化钠预处理聚氨酯模板8h,超声清洗5min后烘干；②反复挤压5次使浆料浸没模板；③600r/min高速离心3s排出多余浆料,部分堵塞的孔隙可用气枪轻轻吹通；④40℃真空干燥24h；⑤1360℃烧结3h。(2) 聚乙烯醇缩丁醛对纳米氧化锆支架机械强度的影响研究PVB的最适宜添加量为0.2wt%,添加PVB后能明显改善氧化锆浆料的稳定性,缩短浆料的配制时间,提高实验效率,且支架的压缩强度有明显改善,初次浸渍后的支架强度可达到0.32±0.030 Mpa,比未添加时高两倍以上。PVB加入分散体系后制备的支架表面微裂纹明显减少,仍保持原有模板外观结构,孔隙率高,具良好的三维联通性,类似人骨松质的天然微观结构形态。添加PVB后的浆料重复循环浸渍能提高支架的压缩强度且仍能有规律的调节支架的孔隙率。(3) 犬骨髓间充质干细胞附着纳米氧化锆骨组织工程支架的体内成骨研究支架材料植入术后12周行大体标本、三维CT重建以及组织磨片染色可发现支架材料可实现骨缺损的愈合。而空白组的骨缺损处不愈合,说明该动物实验模型成功有效。且该模型的建立可操作性及重复性强,可作为动物下颌骨缺损的常用模型使用结论：(1) 使用碱溶液对聚氨酯模板预处理以及制作工艺标准化后可提高首次烧结成型支架的成功率,减少了塌坯现象的发生。(2) 浆料中添加PVB后可以改善纳米氧化锆支架的压缩强度,使其更适宜用于体内外生物实验研究。(3) 犬骨髓间充质干细胞附着纳米氧化锆多孔支架植入体内后,可实现骨缺损的愈合,具有作为骨组织工程化骨的潜力。
【关键词】：氧化锆支架 模板复制法 聚乙烯醇缩丁醛 骨髓间充质干细胞 骨组织工程
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要3-8
• Abstract8-15
• 前言15-20
• 第一章 聚氨酯模板碱溶液预处理方式和浆料去除工艺标准化的研究20-29
• 1. 研究目的20
• 2. 材料和方法20-22
• 2.1 实验材料、试剂和仪器20-21
• 2.1.1 主要材料和试剂21
• 2.1.2 主要仪器21
• 2.2 实验方法21-22
• 2.2.1 聚氨酯模板碱溶液处理21
• 2.2.2 挂浆量测定用浆料准备21-22
• 2.2.3 挂浆量的测定22
• 2.2.4 制作工艺标准化22
• 2.2.5 统计学分析22
• 3. 结果22-25
• 3.1 碱溶液预处理时间与聚氨酯模板的改性22-24
• 3.2 碱溶液预处理后聚氨酯模板的实际应用24-25
• 3.3 制作工艺标准化25
• 4. 讨论25-28
• 5. 本章小结28-29
• 第二章 聚乙烯醇缩丁醛对纳米氧化锆支架机械强度的影响研究29-42
• 1. 研究目的29-30
• 2. 材料和方法30-32
• 2.1 实验材料、试剂和仪器30
• 2.1.1 主要材料和试剂30
• 2.1.2 主要仪器30
• 2.2 实验方法30-32
• 2.2.1 聚氨酯模板碱溶液处理30-31
• 2.2.2 纳米氧化锆浆料的制备31
• 2.2.3 沉降实验31
• 2.2.4 纳米氧化锆支架的制作31
• 2.2.5 纳米氧化锆多孔支架的孔隙率及机械强度测试31-32
• 2.2.6 统计学分析32
• 3. 结果32-39
• 3.1 PVB的加入量对纳米氧化锆粉末分散效果的影响32-33
• 3.2 PVB添加后对纳米氧化锆浆料的制备的影响33
• 3.3 PVB含量不同的纳米氧化锆浆料制作的支架压缩强度对比33-35
• 3.4 PVB含量不同的纳米氧化锆浆料制作的支架扫描电镜观察35
• 3.5 经重复循环浸渍工艺制作的纳米氧化锆支架性能表征35-39
• 4. 讨论39-41
• 5. 本章小结41-42
• 第三章 犬骨髓间充质干细胞附着三维联通纳米氧化锆骨组织工程支架的体内成骨研究42-54
• 1. 研究目的42
• 2. 材料和方法42-47
• 2.1 实验材料、试剂和仪器42-44
• 2.1.1 实验动物42
• 2.1.2 主要材料和试剂42-43
• 2.1.3 主要仪器43-44
• 2.2 实验方法44-47
• 2.2.1 犬骨髓间充质干细胞的采集、培养以及扩增44
• 2.2.2 不同孔隙率三维联通纳米氧化锆支架的制备44-45
• 2.2.3 犬BMSCs接种三维联通纳米氧化锆支架45
• 2.2.4 体内实验45-47
• 3. 结果47-50
• 3.1 犬骨髓间充质干细胞体外培养47
• 3.2 犬BMSCs接种三维联通纳米氧化锆支架47-48
• 3.3 术后实验动物观察48
• 3.4 术后CT扫描观察48
• 3.5 大体组织观察48-50
• 3.6 组织学观察及形态计量学分析50
• 4. 讨论50-53
• 5. 本章小结53-54
• 全文总结54-55
• 参考文献55-58
• 文献综述58-67
• 参考文献64-67
• 中英文缩略词对照表67-68
• 攻读硕士期间发表的论文68-69
• 致谢69-71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 蒲锡鹏,邱发贵,刘学建,黄莉萍;两次离心挂浆工艺制备网眼多孔陶瓷[J];无机材料学报;2005年06期

  本文关键词：纳米氧化锆骨组织工程支架的性能优化及体内成骨研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：476122