硅藻土的生物相容性研究及在骨水泥和抗菌材料中的应用

摘要

硅藻土主要是由古代硅藻的遗骸组成，其作为硅质生物矿物具备规则而又独特的三维多孔微结构，使其具备一些特殊的物理化学性质，包括高孔隙率、亲水性、高强度、高比表面积和高吸附特性。而天然硅藻土作为生物硅质矿物，其力学性能明显优于其它的生物矿物材料。但是目前硅藻土的生物学性能尚未得到系统的研究，限制了其在生物组织工程领域的应用。
　　为了拓展硅藻土在生物组织工程领域的应用，必须要对其生物相容性进行深入地研究。为此，本研究首先对硅藻土的生物相容性展开研究，通过对硅藻土进行煅烧，过筛和静置分离处理，得到不同粒径和不同形状的硅藻土。选用小鼠成骨细胞（MC3T3-E1）和小鼠成纤维细胞（NIH3T3）与不同形状和大小的硅藻土共培养，得到了细胞增殖和细胞毒性实验结果。结果表明，硅藻土的细胞毒性具有剂量效应，尺寸效应和形状效应：30微米的圆盘状硅藻土（30DT-disk）具有最好的生物相容性；而3微米的硅藻土（3DT）的细胞在0.1mg/ml浓度以上展现出明显的细胞毒性；在30微米大小的硅藻土中，盘状硅藻土的细胞毒性明显低于环状的硅藻土（30DT-ring）。
　　受硅藻土在建筑水泥增强效应的启发并基于前一部分硅藻土生物相容性的研究，本研究的第二部分尝试将生物相容性较好的硅藻土添加到磷酸钙骨水泥体系中，研究硅藻土对磷酸钙骨水泥力学性能的增强作用，为解决其临床应用的局限性提供思路。实验选用5w.t.％的30DT-disk硅藻土作为增强剂并添加到90w.t.%α-磷酸三钙和10w.t.%二水磷酸氢钙的骨水泥体系中。为了使硅藻土更好地与磷酸钙骨水泥结合，对硅藻土颗粒表面预先进行了羟基磷灰石负载处理。本研究分别对比了模拟体液（SBF）浸泡法和羟基磷灰石共沉淀法两种方法的负载效果，从扫描电子显微术和X射线粉末衍射结果可知，两种方法都能够在硅藻土颗粒表面负载羟基磷灰石涂层。将表面处理后的硅藻土按照5%的固相质量比添加到磷酸钙骨水泥中，制备骨水泥样品。力学测试结果显示，骨水泥的抗压强度从15.62±0.98MPa提高到34.74±4.59MPa。该结果表明硅藻土具备作为磷酸钙骨水泥的增强剂的潜力。
　　本论文的第三部分尝试制备一种既有生物相容性又具有抗菌性能的硅藻土材料。利用硅藻土颗粒多孔结构的吸附能力，将银离子吸附在硅藻土颗粒的三维孔洞结构中，通过葡萄糖对吸附在硅藻土颗粒中的银离子进行原位还原，制备银-硅藻土复合材料，并通过扫描电子显微术和X射线粉末衍射结果验证了银负载在硅藻土的表面。为了评估银-硅藻土复合材料的生物相容性和抗菌性能，分别采用细胞增殖实验（CCK-8）和抗菌实验（涂板法）对银-硅藻土的生物相容性和抗菌性能进行了研究。细胞实验显示，当银-硅藻土复合材料悬浊液的浓度在0.1-0.5mg/ml时，具有较好的细胞相容性；而当浓度达到1mg/ml时，表现出明显的细胞毒性。抗菌实验的结果显示，当硅藻土复合材料悬浊液的浓度在0.1mg/ml时，无明显抗菌作用；而当浓度达到0.5mg/ml及以上时，显现出较为明显的抗菌性能。因此，银-硅藻土复合材料悬浮液的浓度在0.5~1mg/ml之间时，既具有良好的生物相容性，同时又具有较好的抗菌性能。
　　本论文从以上三个部分系统地研究了硅藻土的生物相容性和具有良好生物相容性的硅藻土在磷酸钙骨水泥和抗菌复合材料中的应用。本研究为硅藻土在生物材料领域的应用提供了新的数据和信息，尤其在骨科植入物领域的应用提供了新的实验基础。

目录

声明

第一章 综 述

1.1.引 言

1.2.硅藻土

1.3.硅藻土的毒性研究

1.4.硅藻土的潜在应用

1.5.本研究课题的提出，研究内容和创新性

第二章 硅藻土的分离提纯和生物相容性研究

2.1 引 言

2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 硅藻土复合骨水泥的制备及性能研究

3.1 引 言

3.2实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 银表面修饰硅藻土的制备和表征分析

4.1 引 言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

全文总结

本课题的创新性

展望

参考文献

攻读学位期间公开发表的论著、论文

参加学术会议情况

致谢