【摘要】：創(chuàng)傷、腫瘤、生理性退化等因素造成的各類骨缺損嚴(yán)重?fù)p害著人類的健康,對于骨缺損修復(fù)的臨床需求也更為迫切和重要。由于骨缺損類型眾多,對相應(yīng)骨修復(fù)材料的性能需求也不盡相同。因此,研究出具有針對性的支架材料成為骨缺損修復(fù)成功的關(guān)鍵因素之一。本論文以新型生物活性材料β-硅酸二鈣作為研究對象,針對其不同性質(zhì)分別構(gòu)建陶瓷支架、自固化支架和復(fù)合支架,并對其相關(guān)材料學(xué)和生物學(xué)性能展開一系列基礎(chǔ)性研究。(1)圍繞β-硅酸二鈣的陶瓷性質(zhì),探討造孔劑法和模板法制備高強(qiáng)度β-硅酸二鈣陶瓷支架的方法和機(jī)理,以滿足承重骨修復(fù)對支架力學(xué)強(qiáng)度的需求。當(dāng)造孔劑炭顆粒含量為50%,粒徑為300-500μm,燒成溫度為1250°C時,制備出開孔率為64.25%的陶瓷支架。MG-63細(xì)胞可在其表面黏附與增殖,表明支架具有良好的生物相容性。以聚氨酯海綿作為模板,制備出具有高強(qiáng)度的β-硅酸二鈣陶瓷支架,該支架抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)28.13MPa。模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)表明,14d后可在支架表面誘導(dǎo)生成致密磷灰石沉積層,表現(xiàn)出優(yōu)異的生物活性。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明MG-63細(xì)胞能在支架表面良好黏附,生長7d后已大量增殖且遷移至支架內(nèi)部,進(jìn)一步的Alamar Blue實(shí)驗(yàn)表明支架浸提液能夠有效促進(jìn)細(xì)胞增殖,表明陶瓷支架具有優(yōu)異的生物相容性。研究MG-63細(xì)胞生長在β-硅酸二鈣陶瓷支架以及聯(lián)合生物反應(yīng)器力學(xué)刺激條件下相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平的變化可以發(fā)現(xiàn),β-硅酸二鈣陶瓷支架能夠促進(jìn)細(xì)胞上調(diào)整合素配體β1、細(xì)胞外基質(zhì)COLI和FN從而促進(jìn)細(xì)胞黏附。陶瓷支架及同時聯(lián)合力學(xué)刺激均能夠促進(jìn)FN和TGF-β1轉(zhuǎn)錄水平上調(diào),有益于成骨細(xì)胞的增殖;能夠促進(jìn)ALP轉(zhuǎn)錄水平上調(diào),有益于細(xì)胞成骨鈣化。最后,裸鼠皮下植入實(shí)驗(yàn)表明β-硅酸二鈣陶瓷支架具有優(yōu)異的異位成骨能力。(2)基于β-硅酸二鈣自固化性質(zhì),探討低溫自固化β-硅酸二鈣支架的制備方法,為進(jìn)一步構(gòu)建復(fù)雜骨組織結(jié)構(gòu)的自固化支架提供基礎(chǔ)。通過合理改進(jìn)Pechini法配方,制備出游離氧化鈣含量低至0.36%,粒徑約為120nm的β-硅酸二鈣顆粒。采用磷酸氫鈣(DCPA)摻雜改善β-硅酸二鈣自固化性質(zhì),20%DCPA含量的β-硅酸二鈣自固化樣品(C8D2)養(yǎng)護(hù)1d后強(qiáng)度最高提升至5.29 MPa。相比于純β-硅酸二鈣自固化樣品(C2S),C8D2水化速度更快,水化產(chǎn)物由C-S-H、Ca(OH)_2、HA和傅鈣硅石構(gòu)成。利用β-硅酸二鈣的低溫自固化性質(zhì),采用Na Cl作為造孔劑,結(jié)合粒子溶出的方法,制備出C2S和C8D2自固化支架,支架開孔率約為75%,孔徑200-500μm,且具有良好的連通孔結(jié)構(gòu)。浸泡模擬體液14d后,自固化支架能在其表面誘導(dǎo)形成由羥基磷灰石和三斜磷鈣石兩種磷灰石晶體層,表現(xiàn)出良好的生物活性。MG-63細(xì)胞能在支架上良好地黏附和增殖,支架浸提液則能顯著促進(jìn)細(xì)胞增殖,培養(yǎng)7d時,C2S和C8D2浸提液組細(xì)胞增殖率分別達(dá)到了17.5倍和18.8倍,表現(xiàn)出良好的生物相容性。細(xì)胞生長過程中,C8D2自固化支架通過調(diào)控MG-63細(xì)胞BMP-2和BMP-6轉(zhuǎn)錄上調(diào)來促進(jìn)細(xì)胞增殖,上調(diào)OPG并抑制IL-6轉(zhuǎn)錄來促進(jìn)細(xì)胞的成骨活性,并通過上調(diào)ALP轉(zhuǎn)錄水平促進(jìn)細(xì)胞成骨鈣化。(3)將β-硅酸二鈣顆粒作為生物活性成分與小腸粘膜下層(SIS)材料復(fù)合,通過調(diào)控制備工藝,制備功能化的致密-多孔雙相復(fù)合骨修復(fù)支架,實(shí)現(xiàn)致密層阻擋內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞遷移,多孔層促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和成骨相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄的功能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)SIS濃度0.8%,冷凍溫度-20°C時,制備的復(fù)合支架多孔層具有優(yōu)異的連通孔結(jié)構(gòu),孔徑約為100μm,開孔率可達(dá)到94%,β-硅酸二鈣的加入能夠改善SIS的親水性。支架的致密層由膠原纖維縱橫交錯排列并層疊而成,且膠原纖維間的孔隙由細(xì)胞外基質(zhì)所填充,對細(xì)胞遷移具有良好的阻隔效果。細(xì)胞形貌表明復(fù)合支架的致密層對內(nèi)皮細(xì)胞HUVEC和成纖維細(xì)胞HTFT具有良好的細(xì)胞相容性,但HE染色結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞向多孔層遷移的情況,表明其對細(xì)胞遷移具有有效的阻隔作用。MG-63細(xì)胞能夠在復(fù)合支架多孔層良好黏附且快速增殖,表明支架優(yōu)良的生物相容性。細(xì)胞生長過程中,復(fù)合支架能夠促進(jìn)MG-63細(xì)胞細(xì)胞增殖相關(guān)基因TGF-β1、FN,成骨相關(guān)基因BMP-2、BMP-4、BMP-6和成骨分化成熟相關(guān)基因RUNX2、OSX、ALP轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)。綜上所述,本論文針對不同骨缺損修復(fù)策略,設(shè)計(jì)并系統(tǒng)研究不同性質(zhì)β-硅酸二鈣骨修復(fù)支架,分別制備具有高力學(xué)強(qiáng)度的陶瓷支架,易塑形的低溫自固化支架和功能化的雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合支架。制備的支架均具有合適的開孔率和孔隙結(jié)構(gòu),良好的生物相容性和生物活性,能通過不同基因調(diào)控途徑促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附、增殖、成骨等生命活動,有益于骨組織修復(fù),有望作為骨修復(fù)支架應(yīng)用于臨床。
【圖文】：

β-硅酸二鈣骨修復(fù)支架材料的制備和性能研究織是膠原分子和 HA 晶體按特定取向排列的組裝結(jié)構(gòu)。I 型膠原是直徑約 1.5nm 和長度約 300nm 的三股多肽鏈纏繞形成的螺旋結(jié)構(gòu)，HA 為長寬約為 50×20nm，厚度為 3nm 的板狀晶體，它的結(jié)晶方向沿膠原纖維的長軸分布，晶體的中心軸(c 軸)與膠原纖維的長軸平行，并沿著膠原纖維呈周期性交錯排列，這樣即構(gòu)成了骨的基本結(jié)構(gòu)單元—礦化的膠原纖維。在納米尺度上，礦化的膠原纖維定向排列集結(jié)成為直徑約 500nm 的膠原束，這些膠原束進(jìn)一步通過不同取向排布，層層疊加，在微米尺度上形成了骨板（osteon）。骨表面排列的為外環(huán)骨板，圍繞骨髓腔排列的則為內(nèi)環(huán)骨板，內(nèi)、外環(huán)骨板之間為呈同心圓排列的骨板，即哈弗斯氏管（Haversian canals），這些骨單位緊密排列，在宏觀尺度上形成皮質(zhì)骨。皮質(zhì)骨孔隙率非常低，大約只有 3-5%，其強(qiáng)度非常高，主要起到保護(hù)和支撐作用。皮質(zhì)骨內(nèi)層則為松質(zhì)骨，松質(zhì)骨是由骨小梁（由不規(guī)則排列的骨板和骨細(xì)胞構(gòu)成）形成的三維多孔狀結(jié)構(gòu)，其孔隙率遠(yuǎn)高于皮質(zhì)骨（約 30-90%），松質(zhì)骨的孔隙中充滿骨髓。

磷酸鈣自固化材料與磷酸鈣陶瓷類似，具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性架表面會直接形成類骨質(zhì)與骨組織結(jié)合，而不會形成軟組織界面。結(jié)合 CPC的低溫自固化性質(zhì)，研究者們進(jìn)一步將 CPC 與其它物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合改性。如利PC 作為載體，，將調(diào)控細(xì)胞生命活動的細(xì)胞生長因子或中藥有效成分與 CPC復(fù)合，可提高其骨誘導(dǎo)和促新骨生成的能力[92-94]。另外，將高分子材料海藻[95]、殼聚糖[96, 97]等作為增強(qiáng)相與 CPC 復(fù)合，可改進(jìn)其理化性能和生物學(xué)性能.4.2.2 硅酸鈣自固化支架硅酸鈣自固化材料是利用傳統(tǒng)水泥行業(yè)中硅酸三鈣和硅酸二鈣的水硬性質(zhì)基礎(chǔ)來展開研究的。如圖 1.2 所示，當(dāng)硅酸三鈣或硅酸二鈣與水接觸時，Ca2iO44-很快進(jìn)入溶液，顆粒表面形成 Si O 網(wǎng)絡(luò)，隨后顆粒表面形成納米級的無水合硅酸鈣(C-S-H)凝膠，同時 Ca(OH)2晶體成核、生長并聚集在凝膠毛細(xì)孔，隨著水化時間的延長，硅酸鈣進(jìn)入硬化階段，C-S-H 凝膠逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫w體逐漸長大并交織在一起，從而產(chǎn)生強(qiáng)度[98, 99]。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R318.08

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本文編號：2612414