骨组织工程网化生物陶瓷支架制备及性能优化

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网化生物陶瓷支架由于良好的三维贯通结构和骨传导性,可以作为细胞粘附、迁移、分化和增殖的三维模板,有利于血管化的形成并引导组织的生长,在组织工程支架领域已经得到非常广泛的应用。但是由于陶瓷的脆性,其力学性能一直无法满足体内承力部位植入的需要,大大限制了它的临床应用。因此,改善网化生物陶瓷支架的力学性能就变得尤为重要。本文主要采用有机泡沫浸渍法制备网化羟基磷灰石(HA)陶瓷支架,通过比较初始粉体的形状优化制备工艺,然后对网化支架进行力学和生物学性能的优化。分别采用热等静压和聚合物浸涂法改善支架力学性能;同时,为了改善网化支架的生物学性能,利用仿生矿化技术,对网化Ti金属支架、HA/PCL和HA/PDLLA支架进行了表面生物活化,以改善支架对细胞等的亲和性。此外,采用挤压法成功改善了颗粒造孔制备的多孔HA陶瓷支架的贯通性,达到了多孔结构网化目的,同时具有更高的力学性能,并系统考察了造孔颗粒大小等因素对支架力学性能的影响。采用粘度计、体视显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、和抗压强度测试等分析手段,系统地研究了网化HA支架的性能。获得的主要结论如下:1.采用有机泡沫浸渍法成功地制备了网化羟基磷灰石(HA)陶瓷支架,研究了不同颗粒形态的HA粉体对网化HA陶瓷支架力学强度的影响,实验结果表明:球形HA粉体所制备的网化陶瓷具有最佳的烧结性能和力学性能,这是由于球形HA粉体颗粒间具有最佳的堆积效果,所配制的浆料具有最高的粘度,因此在样品的浸渍涂覆过程中,泡沫上涂覆的HA浆料最多,因此最终烧结的网化支架的骨架最厚。2.采用了热等静压、PCL涂层涂覆和PDLLA涂层涂覆等方法改善网化HA陶瓷支架的力学性能,研究了不同方法改善支架力学性能的机理,实验结果表明:1)三种方法均能有效地改善网化HA陶瓷支架的力学性能,采用聚合物涂覆法对支架的力学性能改善更明显;2)热等静压法对支架力学性能的改善是因为在二次烧结过程中,晶粒进一步致密化,使支架内部的微孔和微裂纹明显减少;3)网化HA陶瓷支架涂覆聚己内酯(PCL)和聚乳酸(PDLLA)涂层,不仅在表面能观察到聚合物,在网化多孔结构骨架微孔内部也有一些渗透的聚合物,从而实现了聚合物与陶瓷骨架的复合,在一定程度上降低支架的脆性,达到补强增韧的效果;3.利用仿生矿化技术对网化支架的多孔结构上进行Ca-P涂层修饰,改善其生物学性能:1)通过在模拟体液(SBF)中仿生矿化,成功地在多孔Ti支架多孔结构表面沉积具有纳米网状结构的Ca-P涂层,支架的三维贯通结构不变;2)通过在过饱和的钙磷溶液(SCPS)中仿生矿化,成功在HA/PCL复合支架表面修饰具有片层状结构的Ca-P涂层;3)在PDLLA涂层中添加CaSO4和硫酸软骨素(CS)颗粒可以成功地改善复合支架的生物活性,在SBF中仿生矿化7天和14天后支架表面出现纳米网状结构的Ca-P涂层,添加CaSO4的复合支架的生物活性更好;SBF的浓度会影响仿生矿化Ca-P涂层的微观结构,在1倍SBF中Ca-P涂层呈纳米网状结构,在1.5倍SBF中呈片层状结构。4.采用挤压法成功地改善颗粒造孔工艺制备的多孔HA陶瓷支架的贯通性,实现了完全网化的多孔贯通结构;造孔剂的颗粒大小基本不影响支架的孔隙率;支架的收缩率与造孔剂蜡球大小和成形剂甲壳素无关;影响支架收缩率的主要因素是HA的浓度,HA的浓度越高,支架的收缩率越小,但过高的HA浓度不利于支架的收缩;造孔剂粒度对支架的抗压强度有明显影响:随着蜡球粒度的增大,对应的网化HA陶瓷支架的抗压强度逐渐降低。
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