磷酸钙基骨修复材料的仿生制备及其3D打印的研究

摘要

磷酸钙骨水泥由于优良的生物相容性、骨传导与骨诱导性，可作为骨修复材料。传统方法合成的磷酸钙 (CaP) 粉末虽然成分与自然骨组成大体相同，但缺少自然骨的有机成分，因此仿生制备CaP引起广泛关注。三维 (3D) 打印是研究与商业领域热点之一，在骨修复领域主要的研究和应用方向是采用3D打印技术个性化定制精细结构的骨修复植入物，但是3D打印对打印“墨水”的注射性与凝固性要求较高，而现有研究的CaP打印“墨水”的可打印性较差，无法满足3D打印CaP的要求。利用机械活化法对仿生制备的CaP粉末行机械活化处理，其原理是固体颗粒物质在机械力的作用下，改变晶体结构及固体颗粒的物化性能，并产生裂纹与各种缺陷，从而提高其注射性和反应活性。因此，本论文通过仿生制备CaP粉末，采用机械活化，结合3D打印技术，研制可打印的仿生CaP打印“墨水”。(文中粉末或支架简写：Gel在DCPD (二水磷酸氢钙) 或CaP前表示在固相中加入，Gel在CaP后表示在固化液中加入，M表示机械活化) 采用磷酸氢二铵与四水硝酸钙为原料，以明胶(Gelatin，Gel)为有机模板，湿法合成仿生二水磷酸氢钙-明胶(Gel-DCPD)粉末。采用磷酸钙骨水泥Biocement D的配方，制备Gel-CaP粉末，机械活化 (乙醇溶液湿磨) 后得Gel-MCaP粉末。配制明胶水溶液作为固化液，以不同的固液比调制成 3D打印“墨水”。利用X射线衍射仪 (XRD)、傅立叶红外光谱分析仪 (FTIR)、热重分析仪 (TGA)、万能力学试验机与Gilmore双针法分别表征仿生Gel-DCPD、Gel-CaP粉末和CaP支架的性能；四组支架 (MCaP-RO、MCaP-2.4%Gel、60%Gel-MCaP-RO与60%Gel-MCaP-2%Gel) 放置模拟体液中进行体外降解实验，研究四种仿生CaP支架的水化动力学和体外降解机理；研究粉末的不同粒径对CaP“墨水”打印性的影响；将不同粒径的3D打印仿生60%Gel-CaP支架与人骨肉瘤细胞 (MG-63) 共培养，评价3D打印不同粒径60%Gel-CaP-2%Gel支架对MG-63细胞生长的影响。 仿生制备CaP粉末的XRD结果表明，明胶的加入未改变DCPD的物相组成；红外图谱结果表明明胶的羟基与羧基和DCPD中的Ca2+发生化学键合；TGA结果表明60% Gel-DCPD中明胶的含量仅为13wt.%，经过核算60% Gel-CaP粉末中明胶的含量为3.3wt.%；CaP粉末机械活化时间10 h后的粒径基本趋于稳定，为2.2 ± 0.4μm；明胶作为固化液可明显提高CaP浆料的注射性，缩短凝固时间，但降低CaP支架的抗压强度。综上研制出满足3D打印CaP“墨水”的配方：机械活化10 h后60%Gel-CaP粉末为固相，2 wt.%明胶的水溶液为固化液，固液比为0.7 g/mL，其浆料的注射率为86.0 ± 3.0%，抗压强度为2.1 ± 0.1MPa。并利用3D打印机打印出九宫格图形(边长为30 mm，小方格边长为5 mm)，该配方可作为3D打印“墨水”。 水化动力学与降解实验研究表明，在固相中加入明胶的CaP 粉末 (60% Gel-MCaP-RO与60%Gel-MCaP-2%Gel支架) 水化过程中更易向羟基磷灰石转化，且没有产生中间产物磷酸八钙。通过拟合计算得出四种支架的水化动力学原理：前期由水分子扩散控制，后期由粉末表面溶解控制。四种仿生CaP支架降解的pH值呈先上升后下降，其失重损失与孔隙率均持续上升，而抗压强度则不断降低。 不同粒径对60%Gel-MCaP-2%Gel+ 10%CA (柠檬酸，Citric acid)的3D打印性的研究结果表明，粒径越小，越有利于浆料的注射，机械活化10 h后浆料的注射率可达93.0±3.1 %。XRD研究结果表明3D打印支架的衍射峰强度较传统模具成型支架的衍射峰强度强，衍射峰较尖锐。通过3D打印成型的60% Gel-MCaP支架的抗压强度较模具成型的低，孔隙率较模具成型的高。3D 打印支架断面的微观形貌显示支架的孔隙率随粒径降低而下降。3D打印不同粒径支架的表面轮廓形貌表明机械活化0、10与16 h的支架表面较粗糙，而机械活化2 h的支架表面形貌较其余三个支架的表面平整与光滑。采用机械活化10 h的60%Gel-MCaP-2%Gel浆料进行3D打印(针头内径750 μm，流速为0.003 mL/s)，打印出尺寸长宽高为(38～90)?46?88 mm，内部结构为空心的腓骨小头。 细胞学研究结果表明，通过研究细胞增殖性可见MG-63细胞的增殖与培养时间呈正相关。机械活化10与16 h后的支架更有利于细胞的生长与增殖，其余两组支架有显著性差异；共培养 3D 打印 CaP支架旁边的细胞生长状态良好，铺展较均匀，且随培养时间的延长，细胞数量增多；3D打印支架与MG-63细胞共培养3 d后，通过荧光显微镜照片与SEM观察发现细胞在支架表面粘附和铺展。 本论文研究和优化了CaP粉末的制备方法，显著提高了CaP浆料的注射性，研制出了具有可3D打印的生物“墨水”，具有潜在的应用前景。

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