掺杂Cu/Mg的硅酸钙生物陶瓷与纳米羟基磷灰石复合多孔支架对成骨影响

作     者：陈思奇 

作者单位：西南医科大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏德林

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：铜 镁 生物陶瓷 羟基磷石 骨组织工程 

摘      要：目的:羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)良好的生物相容性及良好的骨传导性,常采用HA作为骨组织工程的支架材料。单纯HA支架的力学性能及成骨性能具有一定局限性,目前更多选择生物陶瓷与HA复合制备复合支架以提高其力学性能及骨修复能力。微血管能够提供氧气的极限范围在100-200μm,在骨缺损修复中当组织生长超过此范围时需新生血管来为其供给氧气及营养物质并排出代谢产物。在骨组织工程中复合在支架材料中央的种子细胞可能因缺乏足够的氧气、营养物质及活性生长因子等,出现细胞增殖、分泌以及分化等生理功能受阻甚至死亡的现象,导致组织工程骨移植修复失败,因此早期微血管形成及长入是解决大块骨组织工程骨构建的核心问题。Mg、Cu具备早期促血管生成能力,因此本实验通过制备掺Mg、Cu硅酸盐生物陶瓷与HA复合支架,并检测其理化性质、其对成骨细胞的生物学影响及动物体内新生骨生成情况,以此探讨复合支架的骨修复能力。方法:本实验采用溶胶-凝胶法制备硅酸盐生物活性陶瓷,再与羟基磷灰石混合利用以蜡球为造孔剂法制备多孔支架(分组为:Mg+Cu组、Mg组、Cu组、CS组、HA组),检测复合多孔支架孔隙率、力学性能;电镜扫描观察支架表面形态、孔径大小及内连接径;XRD、EDS、FTIR分析支架物相及化学组成。体外实验,5组支架与MC3T3-E1共培养通过Live/Dead染色、CCK-8、三磷酸腺苷(ATP)含量、碱性磷酸酶(ALP)活性及茜素红染色检测5组支架对成骨细胞毒性、活性、增殖等作用的影响。体内实验,将多孔支架植入SD大鼠体内8周后通过HE染色、Goldner染色及Micro-CT评价多孔支架的骨修复性能。结果:1.溶胶-凝胶法能制备出含Cu、Mg的硅酸盐生物陶瓷。利用蜡球作为造孔剂能够制备出孔隙率为70%,孔径为300-400μm,抗压强度在6-7MPa的复合多孔支架。硅酸盐生物陶瓷的掺入能够显著提高支架的力学性能。2.体外实验中,各组多孔支架与MC3T3-E1共培养后,Live/Dead染色检测显示支架早期对成骨细胞无明显毒性;ATP含量反映早期支架对成骨细胞活力影响:Mg+Cu=MgCu=CSHA;5组支架与MC3T3-E1共培养1、3、5、7天后,CCK8检测成骨细胞增殖能力:Mg+Cu=MgCu=CSHA;成骨细胞与各组多孔支架共培养1、7、14天后的ALP活性:Mg+Cu=MgCu=CSHA;各组多孔支架与成骨细胞共培养1、7、14天后茜素红染色显示其钙结节生成:Mg+CuMgCu=CSHA。3.体内实验中,将多孔支架植入SD大鼠体内8周后,HE、Goldner染色及Micro-CT结果显示各组支架新生骨及矿化骨生成:Mg+CuMg=CuCSHA。结论:利用溶胶-凝胶法及以蜡球作为造孔剂法能够成功制备满足组织工程要求的孔隙率为70%,孔径300-400μm,抗压强度在6-7MPa及成分稳定的复合支架。随着硅酸盐生物陶瓷的掺入后支架力学性能及骨修复能力显著提高,其中以Mg+Cu组最优,表明Mg、Cu的掺入能进一步提高支架的骨修复能力,为多孔复合支架临床应用提供实验基础。