硅酸钙基骨修复材料的制备及其促成骨性能研究
骨骼是人体的支架，担负着支持、承重、造血等功能，但由于创伤、肿瘤、感染和骨折所造成的骨缺损非常普遍，骨缺损治疗中，除了采取自体骨移植，更多的采用人工合成材料来替代修复。目前临床普遍使用的引导骨再生修复材料以羟基磷灰石为主，它是天然骨组织的主要无机成分。但是羟基磷灰石降解慢，属于占位性修复，植入后会长期存留在新生骨中，且诱导骨再生速率较慢，所以关于可降解生物活性陶瓷骨修复材料研究的重要性日渐突出。本论文以可吸收硅酸钙活性陶瓷为研究对象，从前驱体溶胶-凝胶设计出发，应用高温烧结技术，制备了多种可植入体内引导骨再生修复的材料和支架，包括:(1)结合静电纺丝法制备的陶瓷纤维膜，调控烧结温度与离子掺杂控制纤维核壳结构的形成，最终影响硅酸钙纤维的降解速度;(2)以静电纺丝纤维膜为基础，结合分散-冷冻工艺制备的陶瓷纤维三维支架;(3)在溶胶凝胶过程中引入离子掺杂，以高分子多孔泡沫为模板制备的多孔陶瓷三维支架;(4)在硅酸钙前驱体溶胶凝胶中引入羟基磷灰石纳米棒，制备一种硅/磷酸钙复合的骨修复材料并对上述材料和支架进行了系统的体内外生物学评价。主要研究内容和结果简述如下: 1)首次发现采用溶胶凝胶与静电纺丝结合制备的硅酸钙纤维具有核壳结构并探明形成机理，发现纤维表面的二氧化硅壳层有助于维持纤维的强度和形貌。通过改变前驱体投料比和烧结温度等参数，使纤维既具有可调节的降解性能，又具有类细胞外基质的拓扑学结构，利于细胞在硅酸钙纤维上的贴附、铺展和成骨分化。研究发现:随着烧结温度(800℃、1000℃、1200℃)的升高，硅酸钙纤维的降解速率、离子释放速率和矿化沉积的能力下降;但是，800℃烧结制备的硅酸钙纤维引起细胞培养基pH值上升明显，而过碱性的微环境不利于细胞存活和增殖;细胞培养结果显示，相比于其他两个烧结温度，1000℃烧结得到的硅酸钙纤维表现出最佳的促细胞增殖和成骨分化的能力。 2)以静电纺丝制备的硅酸钙前驱体纤维膜为基础，通过高速剪切分散结合冰晶制孔的冷冻工艺，制备出具有纤维搭接孔壁的多孔支架，再结合1000℃烧结和明胶涂敷，获得了硅酸钙陶瓷纤维复合明胶的有机无机三维纤维支架，用于开展大鼠颅骨缺损的再生修复研究。结果显示:复合支架孔隙率较高，孔径支持细胞的迁移和进入生长，力学性能满足植入要求，相比于未涂敷明胶的支架，其促进BMSCs成骨分化能力进一步增强;大鼠颅骨再生结果表明，相比于以羟基磷灰石为主要成分的骨填充材料Bio-Oss Collagen(@)，可降解的硅酸钙纤维/明胶复合支架所释放的钙、硅等活性离子具有显著促进新骨生成作用，支架降解提供的空间能更快地促进新生骨从缺损边缘向支架内生长。 3)生物活性微量元素（如Mg、Mn等）在天然骨组织的发育过程中发挥重要作用，在骨修复材料中添加活性离子，尤其是促成血管活性离子的引入，对于提高生物活性陶瓷引导骨再生能力非常重要。本论文利用硅酸钙前驱体溶胶凝胶配置的灵活性，在其中引入镁、锰离子，以多孔高分子泡沫为模板，制备了不同离子及离子浓度掺杂的硅酸钙支架，系统地比较研究了掺杂离子种类和掺杂量对硅酸钙支架材料的结晶性、微观形貌、力学特性、降解速率和离子释放行为等的影响规律，并通过体内外生物学表征评价了离子掺杂硅酸钙支架作为引导骨再生修复材料的可行性。研究发现:镁、锰离子的掺杂会改变硅酸钙的结晶结构和微观形貌，相比于未掺杂的硅酸钙支架，镁掺杂硅酸钙支架的降解速率和力学性能都有所降低，而锰掺杂硅酸钙支架的降解速率变慢，但力学性能提高;明胶的包覆使硅酸钙支架的力学性能显著提高;所有支架都表现出促成血管的特性，但镁离子的掺杂可显著提高BMSCs的血管内皮生长因子的表达和大鼠颅骨缺损部位的血管生成;相比于硅酸钙支架和锰掺杂硅酸钙支架，镁掺杂硅酸钙支架具有最强的促BMSCs成骨分化和引导骨再生的能力。 4)天然骨组织的骨矿物质以羟基磷灰石为主要成分，可降解的硅酸钙支架通过释放活性离子以促进新骨生成，本论文将羟基磷灰石与硅酸钙复合得到一种新型的引导骨再生填充修复材料。经溶胶凝胶浸渍、烧结、筛分制备的硅酸钙/羟基磷灰石复合颗粒，具有类似Bio-Oss(@)骨粉的粒径和微观形貌，但比Bio-Oss(@)骨粉具有更快地促新骨生成的能力，同时由于羟基磷灰石和新生骨组织的优异结合特性，新生骨体积和骨矿密度也高于单纯硅酸钙材料组。研究结果显示，硅/磷酸钙复合陶瓷可以综合两者的优势，是发展新型引导骨再生修复材料的可行思路。 综上所述，基于溶胶凝胶制备的可降解硅酸钙，可以结合多种成型方法制备得到纤维膜、三维纤维支架、三维多孔支架和颗粒型骨缺损修复材料，通过调控烧结温度、生物活性离子掺杂、复合羟基磷灰石以及明胶包覆等策略，改变支架材料的化学组成、降解和离子释放速率、力学性能、促成血管和成骨能力，可更有效地促进新骨生成和功能重建，在骨再生修复的临床应用上具有广阔的前景。
骨修复材料;硅酸钙;制备工艺;促成骨性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
蔡晴
2020
中文
R318.08
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）