论文部分内容阅读
磷酸钙骨水泥(Calcium phosphate cement, CPC)由于具有较好的生物相容性,在临床上已广泛用作骨组织的修复材料。但CPC力学性能较差,无法作为负重部位的骨填充材料；另一方面CPC缺乏利于细胞和组织生长的孔隙,而在组织工程应用中受到限制。机械活化是一种粉末原料的增强方法,通过将一部分机械能转变为固体物质的内能,达到提高物质活性、促进其物理化学反应的目的；聚多巴胺(Polydopamin, PDA)是多巴胺(Dopamine, DA)单体通过氧化自聚合形成的一种具有强粘附性能的高聚物。PDA表面的邻苯二酚基团使其具有较高的反应活性,且研究表明PDA具有良好的生物相容性。因此,本论文以气体发泡法制备多孔磷酸钙骨水泥支架(CPC-S),并通过机械活化和聚多巴胺双重增强其抗压强度,研究和优化CPC-S的制备工艺,进而探索机械活化和PDA对CPC-S抗压强度、物相组成和生物相容性等性能的影响规律和相关机理。本研究选用Biocement D磷酸钙骨水泥配方,以机械活化后的磷酸钙骨水泥粉末(BCPC-P)为起始原料,通过正交试验优化机械活化磷酸钙骨水泥多孔支架(BCPC-S)的工艺参数,制备具有一定孔隙率及较高强度的BCPC-S。结果表明,BCPC-P的粒径随机械活化的时间增加而减小,机械活化6h后的BCPC-P的粒径稳定,相比未经机械活化的CPC-P,BCPC-P的原料粒径和密度减小而比表面积增大,粉末内部和粉末间具有大量反应活性位点和孔隙,因此促进了BCPC的水化,使颗粒的结合更加紧密,改善了BCPC-S的可注射性和抗溃散性。扫描电镜(SEM)图片显示活化后的BCPC-S和未活化的CPC-S均具有数十微米和数百微米两种尺度的孔隙结构(孔隙率分别为65.50±2.22%,77.98±0.58%),但BCPC-S抗压强度(4.11±0.46 MPa)显著高于未活化的CPC-S(1.99 ± 0.43 MPa) 。X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)结果表明机械活化作用提供了能量,降低了磷酸钙晶体的晶粒尺寸和结晶度,促进了DCPD向DCPA和非晶磷酸钙的转化和磷酸钙盐的沉积再结晶,使BCPC-S水化更加完全,固化后抗压强度得以提高。通过加入DA使其在BCPC-S固化过程中氧化自聚合生成PDA以黏附CPC颗粒的方法,提高了PDA/BCPC-S的抗压强度,同时缩短了其凝固时间(初凝时间20.15±1.75min,终凝时间50.35±4.05 min)。当氧化时间和DA浓度分别为2d和40 mg/mL时,PDA增强效果最佳(5.03±0.67 MPa),且增强后仍保持较高孔隙率(77.5±2.54%)。将PDA/BCPC-S在SBF中进行矿化实验,XRD结果显示其结晶度比BCPC-S更高,而SEM结果表明PDA/BCPC-S的矿化层具有微/纳米多级结构,这是因为邻苯二酚基团与Ca2+螯合,并以此为HA形核位点,降低了形核功,从而导致不均匀形核结晶,最终促进了其矿化产物HA的形核结晶及生长。蛋白吸附实验显示PDA/BCPC-S矿化后形成的微/纳米多级结构促进了牛血清白蛋白(BSA)在支架表面的吸附。吸附等温曲线及其拟合方程表明该吸附符合Langmuir模型(R2=0.999),结果显示该吸附为吸热反应,PDA/BCPC-S相较于BCPC-S和BCPC更易吸附BSA;吸附动力学拟合结果符合二级吸附动力学模型(R2=0.999),说明该吸附属于化学吸附,且PDA的加入使BCPC-S对BSA的吸附速率加快。将PDA/BCPC-S与骨髓间充质干细胞(MSC)共培养,并进行体外生物学评价。利用3-(4,5-二甲基噻唑-2)-2,5-二苯基四氮唑溴盐(MTT)检测材料的细胞毒性,结果显示PDA/BCPC-S对细胞基本无毒性,共培养1、3和5 d时均促进了MSC细胞增殖；而BCPC和BCPC-S共培养初期其细胞相对增殖率RGR较低,共培养5d后对细胞几乎无毒性。荧光染色和扫描电镜表征发现三组支架表面均有粘附的MSC细胞,细胞伸出伪足并铺展于材料表面,细胞具有多种形态,说明三组材料具有较好的生物相容性；其中PDA/BCPC-S细胞数最多,铺展最完整,证明矿化表面的微纳结构有利于细胞粘附和增殖。ALP检测结果显示PDA/BCPC-S与MSC共培养3、5和7d后,MSC增殖活性和成骨分化能力随时间延长而增大,PDA/BCPC-S对细胞的成骨分化能力有促进作用。茜素红染色结果表明PDA的加入起到了类似成骨诱导培养基的作用,使MSC在普通培养基中也能向成骨分化,促进了MSC细胞的矿化。本论文研究和优化了PDA/BCPC-S复合支架材料的制备工艺,显著提高了PDA/BCPC-S的抗压强度和孔隙率,改善了其蛋白吸附性和细胞相容性,使其具有潜在的应用前景。