掺锶聚磷酸钙作为骨组织工程支架材料的研究

摘要

近年来，聚磷酸钙作为一种无机聚合物，具有可控降解速率、生物相容性好和足够的机械强度，越来越受到人们的重视。同时，锶作为治疗骨质疏松症的药物也逐渐受到广泛的关注，适量的锶能促进成骨细胞的增殖，抑制骨吸收，从而加速骨修复，并能一定程度提高骨骼的强度和韧性。本文从对聚磷酸钙的研究入手，通过CPP聚合度计算模型的建立、对CPP的结构、晶型及强度、影响CPP降解的因素及降解规律、CPP晶型与细胞相容性的关系进行了较为全面的研究，确定了β-CPP最合适细胞生长。进一步将微量元素锶加入其中制备SCPP，对SCPP的合成、结构与性能进行了研究，通过不同掺锶量SCPP与两种细胞的相容性研究、以及犬股骨植入试验，初步确定了1％SCPP为适合成骨细胞生长，在体内具有良好生物相容性的骨组织工程支架材料。 本论文制备了与人体松质骨结构相似的多孔CPP材料。对磷酸二氢钙发生固相缩聚反应生成CPP过程的分析，提出了聚合度的简便计算模型；利用IR和固相31PNMR探讨了CPP的化学结构，并对聚合度计算模型进行了验证；合成了不同聚合度大小的CPP。通过在不同温度下烧结，制备了三种晶型的CPP，分别是α-CPP、β-CPP和γ-CPP，并确定了不同晶型CPP的温度范围。探讨了CPP材料结构与机械强度的关系，不同晶型材料的抗压强度比较中α-CPP强度最高；对不同聚合度CPP抗压强度的比较显示随着聚合度的增加，材料抗压强度逐渐增加的规律。 本论文对影响CPP降解速率的因素，包括晶型、聚合度、孔隙率和烧料颗粒粒径等，以及降解过程中材料的性能变化进行了较为详细的研究。结果表明材料的晶型和聚合度对降解速率的影响显著，无论在Tris中降解还是在SBF中降解，不同晶型CPP材料的降解速率不同，从失重率显示依次为α-CPP＜β-CPP＜γ-CPP，从降解出的磷酸根浓度显示依次为α-CPP＜β-CPP＜γ-CPP，因此晶型是控制CPP降解的一个有效手段；同时，CPP的聚合度越小，支架材料的孔隙率越大，烧料颗粒粒径越小，降解速率也越快，呈现明显的差异。降解过程中的形貌变化：在Tris中降解30天后，样品表面的微小缝隙和孔洞增多；而在SBF中降解30天后，样品表面生成了沉积物，沉积量大小依次为α-CPP＜β-CPP＜γ-CPP。对降解30天前后材料成分变化进行检测，发现降解后形成的沉积物里含有碳酸根羟基磷灰石。强度变化：抗压强度损失量大小依次为α-CPP＜β-CPP＜γ-CPP。 本论文制备了不同掺锶量的SCPP，并对其结构、性能和体外降解进行了研究。通过不同晶型CPP材料的成骨细胞培养，对生长曲线和相对增殖率的比较，确定了β-CPP最适合细胞的生长，并将锶元素掺入其中。研究了制备SCPP的三种方法，确定以碳酸钙和碳酸锶为原料制备SCPP的最佳路线。对不同掺锶量SCPP的XRD检测，发现在掺锶量在48-50％之间，材料的晶系发生突变，由与β-CPP所属的单斜晶系向α-SPP所属的菱方晶系转变。对不同掺锶量SCPP的降解性能进行了研究，结果表明随着锶元素的加入，SCPP的降解速率减慢，当锶加入量为60-70％的时候最慢，但随着锶元素的进一步增加，材料的降解速率将有所加快，总体来说SPP的降解速率低于CPP。 本论文对不同掺锶量SCPP材料进行了细胞相容性实验，通过MTT法和ALP的测定，表明1％SCPP最适合成骨细胞生长。对成骨细胞和牙髓细胞在材料上的生长形态进行了倒置相差显微镜、荧光相差显微镜、扫描电镜和激光共聚焦显微镜的观察比较，显示出两种细胞铺展生长良好，具有较高的活性，并能分泌出大量细胞外基质。 本论文初步进行了1％SCPP和CPP在犬股骨中的植入试验。结果表明，这种新型的生物材料植入动物体丙后，未见明显的炎症反应和坏死，具有良好的生物相容性，1％SCPP样本中新骨生成快于CPP样本，在1％SCPP多孔结构中形成了大量的骨小梁，并有较多的血管长入。 本研究首次提出了简便的CPP聚合度计算模型，探讨了晶型和聚合度对CPP性能的影响。首次将锶元素引入到聚磷酸钙中，并对其结构，力学及降解性能等进行了全面系统的研究。从分子水平提出了CPP或SCPP的-P-O-P-键类似三磷酸腺苷(ATP)中高能磷脂键的仿生结构设想，探讨了材料的结构与优良生物相容性的关系。 研究结果表明SCPP是一种有非常有前景的新型骨组织工程支架材料，同时在可降解材料中加入促进生长所需的微量元素也为生物材料的设计提供了新的思路。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：论文中部分缩写符号标注

第一章研究背景及实验设想

1.1组织工程与生物材料

1.1.1组织工程的概念及历史

1.1.2生物材料的发展及组织工程对生物材料的挑战

1.2骨组织工程及动架材料的研究进展

1.2.1骨组织工程的定义

1.2.2骨的结构、性能及形成过程

1.2.3硬组织修复材料及骨组织工程支架材料

1.2.4骨组织工程对支架材料的要求

1.2.5骨组织工程材料与缺损骨修复

1.3聚磷酸钙的应用研究

1.3.1 CPP作为无机聚合物的研究特点

1.3.2 CPP作为生物陶瓷的研究特点

1.3.3国内外CPP骨修复支架材料的制备及其性能

1.3.4 CPP骨修复支架材料研究中存在的问题

1.4微量元素锶在人体中的含量及生理功能

1.5本研究设想

第二章聚磷酸钙非晶烧料粉末的制备及表征

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1原料及仪器

2.2.2 CPP烧料的制备

2.2.3 CPP烧料的表征

2.3结果与讨论

2.3.1CPP聚合度的计算

2.3.2煅烧工艺的确定

2.3.3红外光谱分析(FTIR)

2.3.4 X射线衍射分析(XRD)

2.3.5激光粒度分析

2.3.6扫描电子显微镜分析(SEM)

2.4本章小结

第三章不同晶型聚磷酸钙的制备工艺研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1原料及仪器

3.2.2三种成孔方法制备多孔CPP支架材料

3.2.3材料的表征

3.3结果与讨论

3.3.1不同成孔方法的比较

3.3.2烧结制度对材料的影响

3.3.3 CPP制备工艺条件的优化

3.3.4 CPP材料结构与机械强度的探讨

3.4本章小结

第四章可控降解速率聚磷酸钙的体外降解及机理研究

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1原料及仪器

4.2.2样品制备

4.2.3降解溶液的配制

4.2.4实验方法

4.2.5分析检测

4.3结果与讨论

4.3.1PH值对降解速率的影响

4.3.2材料形貌对降解速率的影响

4.3.3材料结构对降解速率的影响

4.3.4降解过程中材料性能变化研究

4.3.5降解过程中材料成分变化研究

4.3.6聚磷酸钙（CPP）降解机理分析

4.4本章小结

第五章不同晶型聚磷酸钙的细胞相容性检测和筛选

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1原料及仪器

5.2.2利用MTT法对材料的成骨细胞生长的研究

5.2.3细胞与支架材料的复合培养

5.2.4荧光染色对生长在不同晶型材料上的细胞形态进行观察

5.2.5 SEM观察细胞与材料复合生长情况

5.2.6统计学处理

5.3结果与讨论

5.3.1 MTT法测得细胞生长曲线比较

5.3.2细胞在不同晶型材料的降解液中的生长比较

5.3.3细胞在不同晶型材料上生长的荧光染色观察比较

5.3.4倒置相差显微镜观察细胞在β-CPP上的生长形态

5.3.5 SEM观察细胞与β-CPP复合生长情况

5.4本章小结

第六章多孔掺锶聚磷酸钙支架材料的制备及性能

6.1引言

6.2实验部分

6.2.1原料及试剂

6.2.2磷酸二氢锶的合成及纯化

6.2.3三种方法制备SCPP

6.2.4不同掺锶量的SCPP体外降解研究

6.2.5材料的表征

6.3结果与讨论

6.3.1磷酸二氢锶合成工艺

6.3.2磷酸二氢锶的成分分析

6.3.3 SCPP烧料煅烧工艺

6.3.4三种方法制备SCPP的比较

6.3.5 SCPP的成分及结构分析

6.3.6 掺锶聚磷酸钙的多孔结构

6.3.7不同掺锶量对材料机械性能的影响

6.3.8不同掺锶量SCPP对降解性能的影响

6.4本章小结

第七章多孔掺锶聚磷酸钙支架材料的细胞培养及最佳掺锶量的确定

7.1引言

7.2原料及仪器

7.3不同掺锶量SCPP的成骨细胞相容性实验

7.3.1细胞毒性实验

7.3.2对成骨细胞功能的影响

7.3.3细胞生长形态观察

7.4不同掺锶量SCPP的牙髓干细胞相容性实验

7.5结果与讨论

7.5.1不同掺锶量SCPP的成骨细胞相容性分析

7.5.1不同掺锶量SCPP的成骨细胞相容性分析7.5.1.1在培养基中析出物的分析

7.5.1不同掺锶量SCPP的成骨细胞相容性分析7.5.1.2细胞毒性实验结果分析

7.5.1不同掺锶量SCPP的成骨细胞相容性分析7.5.1.3对成骨细胞功能的影响分析

7.5.1不同掺锶量SCPP的成骨细胞相容性分析7.5.1.4成骨细胞在材料上生长形态的观察1

7.5.1不同掺锶量SCPP的成骨细胞相容性分析7.5.1.4成骨细胞在材料上生长形态的观察2

7.5.2不同掺锶量SCPP的牙髓细胞相容性分析

7.6本章小结

第八章掺锶聚磷酸钙动物体内实验初步探索

8.1引言

8.2实验部分

8.2.1主要原料及试剂

8.2.2材料和方法

8.3结果与讨论

8.3.1术后动物大体标本观察结果分析

8.3.2组织形态学观察结果1

8.3.2组织形态学观察结果2

8.4本章小结

第九章结论和创新点

第十章与自组装短肽及胶原复合探索实验及下一步工作的建议

10.1引言

10.2 CPP/RADA16的复合实验研究初探

10.2.1CPP/RADA16的制备

10.2.2 SEM观察复合材料形貌

10.2.3倒置相差显微镜观察（RADA）4/CPP材料与成骨细胞的复合生长情况

10.3 CPP/胶原的复合实验研究初探

10.3.1材料制备

10.3.2 SEM观察形态

10.4下一步的实验建议

参考文献

作者在读期间取得的科研成果

致谢