基于超低温挤出沉积技术的含铜介孔生物活性玻璃/海藻酸钠复合骨组织工程支架的研究

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在骨修复领域,骨组织工程是目前公认的最具发展前景的骨缺损修复方式,而骨组织工程支架作为决定组织再生的关键因素是近年来的研究热点。骨的生物力学系统十分复杂,理想的骨修复支架对理化性能及生物学性能都有较高的要求。海藻酸钠因其优良的生物相容性、非免疫原性、生物可降解性和来源丰富价格低廉等优点,被广泛运用于骨组织工程支架的制备研究。然而海藻酸钠在三维成型性能、机械性能及骨诱导能力等方面的缺陷,限制了其在骨修复领域中的应用。为此,本研究基于超低温气动挤出沉积工艺,以海藻酸钠为基质材料,将含铜介孔生物玻璃作为功能性成分,结合冷冻干燥技术,制备出含铜介孔生物活性玻璃/海藻酸钠复合抗菌骨组织工程支架,并从理化性能和生物学性能对复合支架进行综合评价,研究其在骨修复领域的应用前景,主要工作与结论如下:(1)含铜介孔生物活性玻璃的制备与表征。采用溶胶-凝胶法结合溶剂挥发自组装技术,制备出不同掺铜量的介孔生物活性玻璃xCu-MBG(x=0,2,5 mol%)。透射电镜和氮气等温吸脱附实验证明xCu-MBG具有排列规则有序、孔径分布均匀的柱状介孔结构,随着铜离子摩尔比的提高,生物玻璃的微观形貌未发生明显改变,仅发现介孔参数稍有下降;抗菌实验和SBF模拟体液浸泡实验证实5Cu-MBG具备良好的抗菌能力和生物活性。(2)海藻酸钠支架的制备与表征。结合超低温气动挤出沉积工艺与冷冻干燥技术,并辅以CaCl2交联处理,制备出4、5和6w/v%的海藻酸钠支架。通过光学显微镜和扫描电镜观察发现,打印的支架不仅具有可控的宏观三维结构,而且具备均匀且相互连通的微孔结构,孔隙率分布在80.4%83.3%;海藻酸钠支架具有良好的溶胀性能,饱和质量溶胀比约为2024倍;经CaCl2交联后,不同质量分数的海藻酸钠支架的杨氏模量由0.32、0.42和0.47MPa提升到0.49、0.55和0.63MPa。(3)含铜介孔生物活性玻璃/海藻酸钠复合支架的制备与表征。基于超低温气动挤出沉积工艺结合冷冻干燥技术,制备出不同质量体积比的含铜介孔生物活性玻璃(0、1、1.5和2 w/v%)/海藻酸钠(5 w/v%)复合支架。随着生物玻璃含量的增加,复合支架微孔减少、纤维结构更加致密,孔隙率从81.8%递减至76.7%;溶胀率先升高再降低,且均高于纯海藻酸钠支架;杨氏模量由0.55 MPa提升到0.79、0.98和1.04MPa;体外矿化能力和抗菌性能逐步提升。细胞实验表明,掺有适量生物玻璃(1和1.5 w/v%)的复合支架对MC3T3-E1细胞的增殖有明显的促进作用,但过量的生物玻璃(2 w/v%)会导致培养基的碱化,抑制细胞活性。综合考虑,SA-CuMBG1.5支架既具有较好的溶胀性能、力学性能、体外矿化能力和抗菌性能,同时对细胞的增殖表现出明显的促进作用,是极具应用潜力的骨组织工程支架。
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