熔融沉积制备PHA/β-TCP三维多孔人工骨支架及其生物安全性评价

摘要

研究背景：
　　在临床治疗中骨缺损的修复一直是困扰着当代骨外科医师的一大难题。目前常用治疗材料主要有自体骨与同种异体骨。自体骨优点是基本不会有排斥反应的发生，但其来源十分有限，而且对病人会造成二次损伤。同种异体骨虽然来源广，但是有出现免疫排斥反应的可能，不可以大量使用。
　　随着计算机辅助设计技术(CAD)、熔融沉积3D打印技术以及生物材料学的发展，为解决上述难题提供了一个新的思路。本研究针对上述的临床问题，结合CAD、熔融沉积3D打印技术以及PHA、β-TCP这两种生物活性材料，制备出具有三维多孔结构的人工骨支架，并通过扫描电镜测SEM、XRD、硬度测试以及生物安全性测试等一系列测试对支架的性能以及生物安全性进行评价。
　　目的：
　　1.探索β-TCP含量对于PHA/β-TCP复合材料力学性能、结晶性能和流变性能的影响。
　　2.探索PHA/β-TCP三维多孔复合支架材料的工艺条件，制备出孔隙率和力学等性能均较为优良的三维多孔骨支架。
　　3.探索PHA/β-TCP骨支架的生物安全性能，为临床试验提供一定的理论的依据。
　　方法：
　　1.通过熔融共混的方法制备出不同β-TCP含量的PHA/β-TCP复合材料，并利用XRD、SEM、DSC、流变仪等测试复合材料的结晶、力学和流变性能。
　　2.使用SolidWorks计算机辅助设计软件，构建出一个三维多孔圆柱体人工骨支架，所设计的支架内部具有规整划一的内部孔隙结构，同时内部孔与孔之间互相连接，使用熔融沉积3D打印技术制备出不同β-TCP含量的PHA/β-TCP人工骨支架，并使用SEM、硬度测试以及压缩测试等对多孔支架的基本性能进行测试。
　　3.通过细胞毒性实验、全身毒性实验、全身亚急性毒性实验、植入安全性等实验测试PHA/β-TCP复合支架材料的生物安全性能。
　　结论：
　　1.PHA为典型的韧性材料，β-TCP的加入显著提高了PHA/β-TCP复合材料的拉伸强度、断裂伸长率，且拉伸强度与断裂伸长率随β-TCP用量的增加先增加后减小;β-TCP在PHA基体中充当了成核剂的作用，显著的提高了复合材料的熔融温度和相对结晶度，但随着β-TCP用量的增加，复合材料的Tm和Xc均呈现先增加后减小的趋势;随β-TCP用量的增加，复合材料的表观黏度先减少后增加;随着β-TCP用量的增加，材料的非牛顿指数先增加后减小。
　　2.在不同β-TCP含量(5％wt、10％wt、20％wt、30％wt)下使用熔融沉积技术制备PHA/β-TCP人工骨支架。利用SEM、硬度测试、压缩测试以及孔隙率测试等手段，表征了所制备人工骨支架的微观结构与性能变化规律，当β-TCP含量为20％wt时，其所得PHA/β-TCP人工骨支架的硬度、压缩强度均达到良好的水平，以及能够达到较好的孔隙率。
　　3.对PHA/β-TCP复合材料的进行生物安全性能测试，得出结果为PHA/β-TCP复合材料无细胞毒性;全身急性毒性和全身亚急性毒性结果显示，在实验周期内小鼠均未出现行为异常和死亡的情况，且体重基本与阴性对照组相一致，说明PHA/β-TCP复合材料无全身急性毒性和全身亚急性毒性;皮肤刺激实验中实验动物背部未出现水肿和红斑的现象， PHA/β-TCP复合材料对实验动物无皮肤刺激性;在对PHA/β-TCP复合材料植入之后，无炎症爆发，HE结果显示的淋巴细胞和纤维包裹的现象均是基体自我保护的反应，PHA/β-TCP复合材料植入安全性较为良好。综上所述PHA/β-TCP复合材料是一种较为安全的材料，可用于骨缺损的修复，有较好的应用前景。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 人工骨组织工程

1．1．1 人工骨组织工程的介绍

1．1．2 自体骨的解剖学结构概述

1．2 合适的人工骨支架性能必须具备的特性

1．2．1 医学生理学方面性能

1．2．2 需要满足生物力学强度

1．2．3 合适的人工骨支架的微观与宏观结构需要

1．3 人工骨支架复合材料的进展

1．3．1 制造人工骨支架材料学的进展

1．3．2 惰性材料

1．3．3 可降解性材料

1．3．4 生物活性材料

1．4 各类不同人工骨支架制造方式

1．4．1 传统的人工骨支架制作手段

1．4．2 3D打印技术

1．5 本文的主要研究内容及意义

第二章 PHA／β-TCP复合材料的制备及其性能研究

2．3．2 PHA／β-TCP复合材料的测试与表征

2．4 结果与讨论

2．4．1 PHA和β-TCP材料的SEM观察

2．4．2 PHA／β-TCP复合材料的XRD分析

2．4．3 PHA／β-TCP复合材料的力学性能

2．4．4 PHA／β-TCP复合材料的结晶性能

2．4．5 PHA／β-TCP复合材料的流变行为

2．4．6 PHA／β-TCP复合材料的非牛顿指数

2．5 本章小结

第三章 熔融沉积制备PHA／β-TCP多维人工骨支架及其表征

3．1 实验目的

3．3．2 熔融沉积3D打印PHA／β-TCP三维多孔人工骨支架的设计

3．3．4 熔融沉积制备PHA／β-TCP三维多孔人工骨支架的测试与表征

3．4 结果与讨论

3．4．2 多孔PHA／β-TCP支架的形貌观察(SEM)

3．4．3 β-TCP含量对多孔PHA／β-TCP支架机械性能的影响

3．4．4 β-TCP含量对多孔PHA／β-TCP支架的压缩强度测定

3．4．5 PHA／β-TCP多孔复合支架孔隙率的测定

3．5 本章小结

第四章 PHA／β-TCP多孔人工骨支架的生物相容性评价

4．1 实验目的

4．2 实验试剂及仪器

4．3 实验方法

4．3．1 PHA／β-TCP复合材料浸提液的制备

4．3．2 细胞毒性实验

4．3．3 全身急性毒性实验

4．3．4 皮肤刺激实验

4．3．5 全身亚急性毒性实验

4．3．6 植入安全性实验

4．4 结果与讨论

4．4．1 细胞毒性试验

4．4．2 全身急性毒性试验

4．4．3 皮肤刺激试验

4．4．4 全身亚急性毒性试验

4．4．5 植入安全阻斌验

4．5 本章小结

参考文献

攻读硕士学位期间成果

致谢

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