新型多孔磷灰石-硅灰石（AW）生物活性玻璃陶瓷支架材料的制备与改性研究

摘要

骨组织工程的研究为骨缺损修复提供了全新的思路和方法。支架材料是骨组织工程的核心内容和关键环节。本文的目的是寻找一种具有表面生物活性，有利于种子细胞的粘附、分布和功能发挥，并具有较好力学性能的支架材料。 AW生物活性玻璃陶瓷不但具有良好的生物活性和生物相容性，还有着较好的力学性能。AW生物活性玻璃陶瓷在体内环境中具有骨传导性，能促进骨组织生长与沉积。此外，还具有一定的骨诱导性和降解性。近年来研究发现生物玻璃的溶解产物可被用来活化基因，通过基因调节诱发细胞周期开始和进程，进而促进骨形成。因此，选用生物活性玻璃陶瓷制成骨组织工程支架材料，可增强组织生长和自我修复，将为大的骨缺陷病人的骨组织重建带来希望。 AW玻璃陶瓷可通过调整基体组成、孔结构和孔隙率、表面结构微环境及表面改性来达到可控制界面反应动力学、降解速率、提高生物活性和生物相容性。可见，这种具有优异性能的材料无疑是一种很有前景的骨组织工程支架材料。 本研究采用溶胶-凝胶工艺制备纳米前驱体粉，调节固相及添加剂含量配制料浆，以有机泡沫浸渍挂浆，经干燥、烧成工艺制备多孔AW生物活性玻璃陶瓷支架材料。在此基础上，为进一步提高支架材料的机械强度、断裂韧性、生物相容性以及降解可控性，在支架材料表面引入生物降解有机相壳聚糖(CS)膜，制备AW/CS复合多孔支架材料。支架材料的形状、孔径尺寸、孔隙率可通过有机泡沫体的选择进行调控。 本研究通过详细的热力学分析，从理论上解释溶胶．凝胶法制备Aw生物玻璃陶瓷前驱体粉中磷酸钙盐生成的机理，进而为结合现代分析测试手段完整、准确地分析溶胶.凝胶法制备AW生物玻璃陶瓷过程中各个温度阶段的晶相转变和物理化学过程奠定基础，同时也为磷酸钙系陶瓷在模拟体液中浸泡表面HA的形成过程提供机理解释。采用热重-差热分析仪、X-射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、光学显微镜、红外分光光度计、多孔陶瓷强度测试仪、阿基米德法等对AW和AW/CS支架材料进行晶相组成、宏观大孔结构、显微结构、表面形貌、机械强度以及孔隙率等进行表征。采用体外模拟体液(SBF)浸泡实验评价支架材料的生物活性和生物降解性。将经成骨诱导的第三代传代兔骨髓基质干细胞(MSCs)作为种子细胞，与AW、AW/CS支架材料进行体外复合培养，考察材料的生物相容性。 结果表明： (1)采用溶胶一凝胶法所制备的AW纳米前驱体粉粒径在60-100nm，粉末团聚粒子的质量中位径D<,50>为0.77gm，粉体具有较好的分散性。 (2)热力学分析与实验检测结果非常吻合。在水基溶胶.凝胶体系的pH值为0.98-1.50范围内，根据热力学及XRD分析，确定在未进行热处理的干凝胶粉中存在的磷酸钙化合物为磷酸二氢钙(MCP)。 (3) AW多孔支架材料的主晶相为磷灰石和硅灰石。AW/CS复合支架材料的主晶相为磷灰石、硅灰石和CS相。支架材料具有大孔/微孔结构、孔隙分布均匀、相互贯通的优点，大孔孔径在100-500gin，微孔孔径在1-3μm，孔隙率为80％-90％。支架的形状、孔径大小和孔隙率可以通过有机泡沫的选择来调控。AW、AW/CS支架材料的平均抗压强度分别为：0.334MPa、3.11MPa，复合改性之后比改性前平均抗压强度提高了831％，且韧性大大增加。 (4)模拟体液浸泡实验显示，AW支架材料和AW/CS复合支架材料表面都能形成蠕虫状的含碳酸根的羟基磷灰石(HCA)层，预示两种材料都具有良好的生物活性。AW支架材料表面沉积HCA层的速度要优于复合支架材料，但复合支架材料表面所沉积的。HCA晶粒之间相互交错在一起，其表面所形成的微观结构形貌与AW支架材料表面的略有不同，所提供给细胞在其上粘附、增殖和分化的微环境也不一样；此外，SBF浸泡实验还表明两种支架材料都具有一定的降解性。 (5)经成骨诱导的兔骨髓基质干细胞与AW支架材料和AW/CS复合支架材料之间具有生物相容性，能在两种支架材料上正常的粘附、增殖和分化。 (6)本研究采用新工艺路线制备的多孔AW、AW/CS支架材料具有良好的生物活性和组织相容性，可将该材料应用于骨组织工程。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1骨组织工程

1.2骨组织工程支架材料

1.2.1天然支架材料

1.2.2人工合成支架材料

1.2.3复合支架材料

1.2.4支架材料的制备

1.3组织工程支架材料与细胞的相互作用及表面修饰

1.3.1影响细胞与支架材料间相互作用的因素

1.3.2支架材料的表面修饰技术

1.4生物活性玻璃和微晶玻璃

1.4.1生物活性玻璃和微晶玻璃的制备方法

1.4.2生物玻璃和微晶玻璃活性的表征方法

1.4.3磷灰石-硅灰石(AW)生物微晶玻璃

1.4.4生物玻璃和微晶玻璃支架材料

1.5论文的选题

1.5.1论文研究的目的和意义

1.5.2论文研究的主要内容

第二章溶胶-凝胶法制备磷灰石-硅灰石(AW)生物活性玻璃陶瓷纳米前驱体粉及其性能研究

2.1引言

2.2材料与方法

2.2.1原料

2.2.2纳米AW前驱体粉的制备及工艺流程

2.2.3纳米AW前驱体粉的表征

2.3结果与讨论

2.3.1溶胶-凝胶的制备

2.3.2凝胶的陈化及干燥

2.3.3凝胶的热处理

2.3.4水基溶胶-凝胶体系热力学分析

2.4结论

第三章磷灰石-硅灰石(AW)生物活性玻璃陶瓷支架材料的制备与性能研究

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1原料

3.2.2 AW玻璃陶瓷支架材料的制备

3.2.3 AW玻璃陶瓷支架材料的表征

3.2.4 AW玻璃陶瓷支架材料体外模拟体液浸泡实验

3.3结果与讨论

3.3.1有机泡沫浸渍法制备AW生物活性玻璃陶瓷支架

3.3.2 AW玻璃陶瓷支架材料的显微结构

3.3.3 AW玻璃陶瓷支架材料的晶相组成分析

3.3.4 AW玻璃陶瓷支架材料的生物活性

3.3.5模拟体液中磷灰石在AW支架材料表面形成机理

3.3.6 AW支架材料的力学性能

3.4结论

第四章磷灰石-硅灰石(AW)/壳聚糖(CS)复合多孔支架材料的制备与性能研究

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1原料及设备

4.2.2 AW/CS复合支架材料的制备

4.2.3 AW/CS复合支架材料的表征

4.2.4 AW/CS复合支架材料体外模拟体液浸泡实验

4.3结果与讨论

4.3.1 AW/CS复合支架材料的红外光谱分析

4.3.2 AW/CS复合支架材料的力学性能

4.3.3 AW/CS复合支架材料的显微结构

4.3.4 AW/CS复合支架材料的生物活性

4.4结论

第五章磷灰石-硅灰石(AW)支架材料和磷灰石-硅灰石/壳聚糖(CS)复合支架材料的生物相容性研究

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1试剂与仪器

5.2.2 AW支架材料和AW/CS复合支架材料的制备

5.2.3兔骨髓基质干细胞的体外分离与培养

5.2.4兔骨髓基质干细胞的成骨诱导

5.2.5诱导后的MSCs与支架材料的复合

5.2.6扫描电镜观察

5.3结果与讨论

5.3.1 AW支架材料表面细胞生长情况

5.3.2 AW/CS复合支架材料表面细胞生长情况

5.4结论

全文总结

本论文的创新点

参考文献

作者在读期间科研成果简介

致谢