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磷酸钙系新型骨修复复合材料的研究

周大利  
【摘要】: 骨组织工程复合材料至少包括两个最重要的组成部分:支架材料和种子细胞(或者因子)。种子细胞通过体外和体内增殖、分化和分泌胞外基质构建新的骨组织,骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic protein,BMP)能够异位诱导间充质细胞分化为软骨和骨细胞,支架材料提供新骨组织形成所需的临时空间和力学支持。因此种子细胞及因子的选择、扩增和支架材料的研制是骨组织工程的关键。本文进行了BMP/α-TCP骨水泥、rhBMP-2/β-TCP陶瓷、兔骨髓基质细胞/β-TCP陶瓷、β-TCP/PLLA与大鼠骨髓基质干细胞复合及β-TCP/PLLA与大鼠骨膜成骨细胞复合几个体系骨组织工程复合材料的研究。 本研究首先开发了制备高性能的β-磷酸三钙(tricalcium phosphate,TCP)、α-TCP超细陶瓷粉及高性能多孔β-TCP陶瓷新工艺。将自制高纯、超细CaCO_3用去离子水调和成浆料加入到分析纯磷酸配制成的一定浓度的磷酸溶液中反应,配料按Ca/P原子比为1.50。反应在搅拌和超声波震荡下进行,并在十分钟内完成,制得组成为Ca_3(PO_4)_2nH_2O的TCP前驱体沉淀,该沉淀粒度细(0.8-几μm)而均匀,过滤性能优良,固液能快速分离。在1170℃下煅烧TCP前驱体制备β-TCP超细陶瓷粉料,在1230℃下煅烧TCP前驱体制备α-TCP超细陶瓷粉料。TCP前驱体沉淀用3%PVA溶液作粘结剂,20-30目的柱状硬脂酸作成孔剂,经压模成型、干燥、在1170℃下煅烧制得高性能多孔β-TCP生物陶瓷。研究表明,CaCO_3粒度对TCP前驱体粒度、陶瓷的孔隙率、抗压强度以及溶解速度均有影响,根据临床应用需要可以通过选用不同CaCO_3粒度及致孔剂形状大小来调节陶瓷的孔隙率、孔结构,以控制陶瓷强度和溶解速度。 该新工艺制备的高纯微细α-TCP粉体具有优良的凝结性能和水化性能。自 制高纯微细磷酸氢钙(DCP)、Cao(ds。分别为1.72和1.2 pm)为辅配料,摩尔 比为:a一TCP:DCP:CaO=0.95:0.025:0.025,用0.25M NaHZP04/NaZHP04混合 液调和,其初凝时间为7分钟,终凝时间为35分钟,在Hank’s溶液里浸泡5 天其抗压强度可达到35MPa,达到了颅骨修补材料的强度要求。用Uri St法自 小牛长管状骨中提取部分纯化的活性BMP,将BMP与a一TCP固相粉体按比例混 合均匀后再与液相反应,制成BMP含量不同的BMP/a一TCP磷酸钙骨水泥复合材 料。分别采用单纯a一TCP和BMP含量不同的BMP/a一TCP修复成年兔较大颅骨 缺损,4周时可见BMP/Q一TCP材料内大量类骨组织生成并见少量钙沉积;8周 时新骨量增加,钙化更多、强度明显增加;16周骨组织进一步成熟,骨缺损由 新骨桥连修复。而a一TCP组8、16周时骨生成量和强度均低于BMP/Q一TCP,骨 缺损区未形成新骨桥连,但软组织量却明显多于后者。16周时BMP/Q一TCP和 Q一TCP的材料吸收量基本相等。 本研究将多孔p一TeP和重组人的骨形成蛋白一2(recombinant human bone m6rphogenetie proteins一2,rhBMP一2)复合,制得rh朋P一2/p一TCP复合人工骨 材料,将其植入小鼠肌肉内,观察复合物的骨诱导和降解能力。72小时可见幼 稚软骨,1周见成熟软骨,2周编织骨和少量板层骨,3周和4周成熟的板层骨 生成,对照组则无骨或软骨生成。2周开始间充质细胞和纤维组织长入材料,3~ 4周将材料包裹分割,同时可见多核巨细胞反应及吞噬现象,这些是降解早期 组织学改变。 兔骨髓基质细胞(MSC)在本研究制备的多孔p一TCP表面贴壁生长状态良 好,并合成大量胶原纤维,胶原的合成量也较多,表明本研究制备的D一TCP载 体具有良好的生物组织相容性,可将p一TCP载体复合MsC制得BMP/p一TCP复 合材料,应用于骨组织工程。 本论文采用溶液浇铸一模压成型一沥滤三步法研制成具有一定孔隙率、孔径 的B一TCP/PLLA多孔复合材料,详细地研究了材料的组成和孔隙率等因素对该 复合材料力学性能的影响。结果表明:B一TCP/PL以多孔复合材料的压缩强度和 模量随孔隙率的增加而大幅度的降低。低孔隙率(小于70%)时,可以通过改变 材料的成分比例和p一TCP的粒径来改善材料的力学性能。而高孔隙率时,材料 的力学性能较差,且基本不受成分比例和p一TCP的粒径影响。体外和体内实验 表明,经成骨诱导的骨髓基质细胞和骨膜成骨细胞在B一TCP/PLLA多孔复合材 II 料能够粘附、增殖、分化,表现出正常的生化功能。B一TCP/PLLA多孔复合材料 具有成骨传导性,是骨组织工程支架材料的较好选择。而相对与成骨细胞来说, 经成骨诱导的骨髓基质细胞是种子细胞的较好选择。因此可以认为:以 B一TCP/PLLA多孔复合材料为细胞支架、经成骨诱导的细胞为种子细胞的复合材 料是新型的骨组织工程骨缺损修复材料。


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