鸵鸟骨转化多相钙磷陶瓷制备及用于骨组织工程支架材料基础研究

【摘要】：由肿瘤切除、创伤和感染造成的颌面骨缺损需要大量的骨移植物修复，自体和同种异体骨应用最多，但都有一定的局限性。开发的人工替代品有生物陶瓷、聚合物、合金以及复合材料等，其中钙磷陶瓷类的HA和β-TCP因具有良好的生物相容性和骨传导性能而得到广泛的研究。煅烧牛骨又称为陶瓷化骨(TBC)，是一种具有天然松质骨小梁结构的多孔生物材料，由无机骨矿物质组成。由于经过高温煅烧，材料无免疫原性，无毒性。拥有天然骨传导性，TBC与骨诱导因子如BMPs，骨髓和培养的成骨细胞复合后显示了良好的成骨性能。 鸵鸟松质骨(OCB)是一种新型异种生物材料，文献中很少提及。实验中对OCB进行化学处理后高温煅烧，将其转化为钙磷陶瓷(COB)。进一步用焦磷酸钠液浸泡后再次煅烧至1100℃，将COB中的HA成分转化为HA／β-TCP／NaCaPO_4多相钙磷陶瓷。课题研究了鸵鸟骨转化多相钙磷陶瓷的成分、特性、降解性能和生物相容性，并探索其用于骨组织工程支架材料的可行性。 1．鸵鸟及牛松质骨形态比较及成分测定、抗折强度分析 目的：制备鸵鸟及牛松质骨并比较其结构、成分和抗折强度。方法：新鲜鸵鸟及牛骨经过化学处理后制备出松质骨材料。观察材料表面结构，分析其水分、有机质、及无机物含量，测定其抗折强度。结果：鸵鸟松质骨表 第四军医大学博士学位论文 面及孔隙结构与牛松质骨相比有不同特点，与牛松质骨孔隙相比，鸵鸟松 质骨孔径大小更不均匀。鸵鸟及牛松质骨水分、有机质及无机物含量分别 为(6 .85士0.10)%、(28.75士0.83)%、(64.40士0.78)%和(6.36士0.16)%、 (2979土0.28)%、(63.85士0.35)%。两者的抗折强度分别为(14.18士2.50) MPa和(22.93士3.93)MPa。结论:鸵鸟及牛松质骨在水分、有机质及无 机物含量方面接近。鸵鸟松质骨材料具有与牛松质骨不同的孔隙特点，有 望成为另一类有价值的异种骨替代材料。 2.陶瓷化鸵鸟松质骨支架制备及成分、性能分析 目的:制备陶瓷化鸵鸟松质骨支架并分析其成分及性能。方法:鸵鸟松质 骨化学处理后高温锻烧，将其转化为钙磷陶瓷。通过大体及扫描电镜观察 材料表面结构，测定材料孔隙率、矿物组成、元素比及抗折强度。结果: 陶瓷化鸵鸟松质骨是一种多孔钙磷陶瓷材料，主要成分为轻基磷灰石，钙 磷元素比为1.613。平均孔隙率为(70.27土6.23)%，多数材料孔隙大小不 均匀。平均抗折强度为(l .92士0.63)MPa。结论:陶瓷化鸵鸟松质骨是一 种孔隙结构特点与其他异种陶瓷骨不同的钙磷陶瓷材料，其孔隙特点可能 对成骨有利。 3.将陶瓷化鸵鸟松质骨转化为多相钙磷陶瓷 目的:将锻烧鸵鸟松质骨转化为多相钙磷陶瓷并对其性能、成分进行分析。 方法:陶瓷化鸵鸟松质骨用不同浓度焦磷酸钠浸泡后高温处理，将陶瓷化 鸵鸟松质骨的主要成分经基磷灰石(HA)转化为多相钙磷陶瓷。通过大 体及扫描电镜观察材料表面结构，测定材料孔隙率、抗折强度、矿物组成 及元素比。结果:部分可降解性陶瓷化鸵鸟松质骨支架是一种多孔钙磷陶 瓷材料，主要由HA、p一磷酸三钙(p一TCP)、和磷酸钙钠(NaCaP04)组 成。随着焦磷酸钠浓度的增加，HA含量减少，p一TcP和NaCaPO;含量增 多。材料平均抗折强度为(l .95士0.46) MPa。材料钙磷元素比值为1.511。 平均孔隙率为(60.71士6.9)%，孔隙大小不均匀。结论:通过在高温下与 焦磷酸钠作用，陶瓷化鸵鸟松质骨能够被转化为p一TCP旧户了NaCaP04多 相钙磷陶瓷，该材料具有独特的天然多孔结构，有可能成为一种新型植骨 第四军医大学博士学位论文 材料。 4.鸵鸟骨转化多相钙磷陶瓷支架细胞相容性研究 目的:评价由鸵鸟松质骨制备的多相钙磷陶瓷支架的细胞相容性。方法: 通过理、化方法将锻烧鸵鸟松质骨改性为H刀p一TCP加aCaPO;多相钙磷陶 瓷，然后分离兔骨髓基质细胞，体外扩增、诱导后接种于鸵鸟钙磷陶瓷支 架。骨髓基质细胞与支架复合培养8天，通过相差显微镜、扫描电镜观察 细胞在材料上的勃附、伸展及生长情况。通过细胞计数观察细胞增殖情况。 结果:骨髓基质细胞在多相钙磷陶瓷支架表面及孔隙内贴附、伸展、增殖 良好。结论:鸵鸟骨转化多相钙磷陶瓷支架具有良好的细胞相容性。 5.鸵鸟骨转化多相钙磷陶瓷生物相容性研究 目的:评价新型材料鸵鸟骨转化多相钙磷陶瓷支架的生物相容性。方法: 通过理、化方法将锻烧鸵鸟松质骨改性为H刀p一TCPfNacaPO;多相钙磷陶 瓷，然后进行溶血试验、凝血试验、热源试验、急性毒性试验及肌肉植入 试验。结果:材料无溶血现象，不影响凝血功能。动物实验发现材料不引 起阳性热源反应及急性毒性。肌肉植入试验显示纤维组织能够长入材料内 部，材料对肌肉无刺激。部分标本出现轻微的炎性反应，与材料部分降解 有关。结论:多相钙磷陶瓷支架具有良好的生物相容性。 6.鸵鸟骨转化多相钙磷陶瓷支架肌内降解性能研究 目的:观察两种不同比例H刀p一TCP加aCaPO4的多相钙磷陶瓷降解情况。 方法:通过理、化方法将锻烧鸵鸟松质骨转化为H刀p一TcP/N acaPo;多相 钙磷陶瓷。通过不同剂量焦磷酸钠处理得到不同比例HA/p一TcP/ NaCaP0