为制备具备促进成骨和血管生成能力的人工多孔生物材料支架并探索其性能,本研究采用引入扩孔剂的水热合成法制备了大孔径介孔生物活性玻璃(mBGPs),通过真空浸渍法将骨形态发生蛋白-2(BMP-2)负载到mBGPs介孔中,随后结合溶剂浇铸粒子沥滤法成功制备了BMP-2/mBGPs与PLGA复合支架.材料表征结果表明,mBGPs呈空心球壳形式,为非晶相结构,具有无序的三维泡沫孔道结构,能持续溶出钙离子、磷酸根离子和硅酸根离子,同时mBGPs具有蛋白质负载和缓释的能力.体外实验结果表明,BMP-2/mBGPs/PLGA多孔支架利于大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的黏附与增殖,能显著提高生物活性物质的分泌和表达.大鼠牙槽骨缺损动物模型的修复实验表明,该支架加速了新骨组织的生长速度和成熟.

背景:生物活性玻璃骨修复材料具有骨结合能力、骨诱导能力及骨传导特性,但目前生物活性玻璃的性能尚不符合临床应用要求,添加硼元素有望改善生物活性玻璃的性能.目的:研究不同含量B2O3替代SiO2对生物活性玻璃力学性能及生物活性的影响.方法:以含磷氮氧生物活性玻璃(成分为:SiO2-CaO-ZnO-Na2O-Si3N4-P2O5)为基础,以B2O3部分替代其中的SiO2,采用高温熔融法烧制含B2O3质量分数分别为0%(A组),5%(B组),10%(C组),15%(D组)的基础玻璃(基础玻璃中SiO2与B2O3的质量分数总和为41%),采用有机泡沫浸渍法制作多孔生物活性玻璃支架,利用万能力学试验机单轴压缩和三点弯曲法测试力学性能;将4组支架浸泡于模拟体液中,检测支架的降解性能,利用扫描电镜观察浸泡前后支架的形貌变化,以及X射线衍射分析浸泡前后的支架物相组成.结果与结论:①随着B2O3质量分数的增加,多孔生物活性玻璃支架的抗压强度与抗弯强度升高,4组支架的抗压强度与抗弯强度比较差异有显著性意义(P≤0.05);②浸泡于模拟体液中后,随着时间的延长,多孔生物活性玻璃支架逐渐降解;相同浸泡时间点下,随着B2O3质量分数的增加,支架的降解速率加快,4组支架的抗压强度与抗弯强度比较差异有显著性意义(P≤0.05);③浸泡于模拟体液后的扫描电镜显示,A、B组浸泡1 d后表面沉积大量的颗粒状物质,3 d后表面的颗粒状物质相互融合形成薄膜样沉积,7 d后表面的薄膜即相互融合成片,基本覆盖整个试件表面;C组浸泡1 d后表面形成薄膜样物质沉积,3 d后表面的薄膜即相互融合成片,基本覆盖整个试件表面;D组浸泡1 d后可见基本覆盖整个试件表面的片状物质;④浸泡于模拟体液中1 d后的X射线衍射分析显示,4组支架表面的沉积物为结晶态的羟基磷灰石;⑤B2O3替代部分SiO2会增强多孔生物活性玻璃支架的力学性能、降解性能及体外矿化活性.

目的:研究CaCl2取代CaO对多孔生物活性玻璃(Bioactive glasses,BG)支架的力学性能及生物活性的影响.方法:以含磷玻璃(SiO2-ZnO-CaO-Na2O-P2O5-Si3N4)为基础,用不同含量(4 wt％、8 wt％、12 wt％)的CaCl2取代上述CaO,选用熔融法制取基础玻璃,而后以聚氨酯(Polyurethane,PU)海绵为模板,选用有机泡沫浸渍工艺制取含氯的BG支架,测定抗弯强度(Bending strength,BS)、抗压强度(Compressive strength,CS)、降解性能、矿化活性.结果:用CaCl2取代CaO后,C(不含CaCl2)、Cl(含4 wt％CaCl2)、C2(含8 wt％CaCl2)、C3(含12 wt％CaCl2)四组的CS与BS均逐渐下降,经统计学分析差别有统计学意义(P＜0.05),两两比较,结果为六个对比组间均有差异(均P＜0.05);C、Cl、C2、C3四组在模拟体液浸泡24 h后的失重比递增,经统计学分析差别有统计学意义(P＜0.05),两两比较,结果为六个对比组间均有差异(均P＜0.05);扫描电镜图片和XRD分析的结果显示,在模拟体液浸泡24 h后,C、C1、C2、C3四组均有矿化活性,且逐渐递增.结论:CaCl2会降低多孔BG支架的力学性能,其质量百分比应控制在12 wt％以下为宜,此外,其还可提高多孔BG支架的生物活性.

目的:构建一种低熔点含硼、锌生物玻璃(BG-ZnB)力学增强型生物玻璃—陶瓷的多孔支架材料,并探究BG-ZnB含量对支架的结构、力学性能和骨再生效率的影响.方法:将质量分数为0%、2%、4%的BG-ZnB复合45S5生物活性玻璃通过石蜡微球造孔成型,经900 ℃烧结分别形成45S5/ZB0、45S5/ZB2、45S5/ZB4三种玻璃—陶瓷多孔支架;测定三种玻璃—陶瓷多孔支架的物相组成、孔隙率和压缩性能.36只雄性新西兰大白兔随机分为45S5/ZnB0组、45S5/ZnB2组和45S5/ZnB4组,将三种多孔支架置入兔骨缺损模型中,分别在第6周和第16周通过X射线摄片、显微CT三维结构重建和组织切片染色等方法检测大白兔骨缺损模型支架的骨再生效率;采用HE染色、Masson三色染色和EnVision二步法染色分析新生骨内生长情况.结果:力学增强型生物玻璃—陶瓷与45S5生物活性玻璃的物相基本一致,但烧结后的支架在外观上有细微变形.45S5/ZnB2组和45S5/ZnB4支架骨架表面晶粒烧结更为致密,抗压强度较45S5/ZnB0支架明显提高(均 P <0.05).支架植入后6周和16周时,45S5/ZnB2组和45S5/ZnB4组成骨率和骨小梁密度高于45S5/ZnB0组(均P<0.05),新生骨、Ⅰ型胶原蛋白和骨钙素表达量较45S5/ZnB0组增加.结论:低熔点高活性BG-ZnB助烧结工艺能构建出力学增强型生物玻璃—陶瓷多孔支架材料,可为研发骨损伤修复材料奠定实验基础.

目的 为了制备出能满足骨组织工程需要的具有一定机械强度和成骨引导功能的生物活性骨组织支架,本文拟采用45S5生物活性玻璃为原料,利用光固化成型(digital light processing,DLP)3D打印方法和高温烧结来制备出三维多孔活性骨组织工程支架,并对其成型效果和机械性能进行分析验证.方法 选取45S5生物活性玻璃为原料,混合光敏树脂后,采用DLP制备三维网格状支架,再通过优化的烧结工艺制备出骨组织工程生物活性支架.采用扫描电镜、万能实验机等方法分析支架的形貌及结构特征,并研究生物支架的孔隙率和力学性能.结果 该方法以比其他支架制备方法更加精确的模型复原能力制备出具有预设复杂多孔结构的生物活性支架,支架孔径为400μm左右,孔隙率达到55.79％,抗压强度为10～14 MPa,能够满足骨组织工程支架的要求;支架表面有均匀密布的孔径约0.5μm的微观孔,与宏观孔隙配合,能提高骨组织的修复能力.结论 该方法制备的生物活性支架可运用于骨组织工程应用中.

生物活性玻璃由于良好的生物活性、生物相容性、无细胞毒性、能促进骨及软组织的再生,使其成为一类性能优良的骨缺损修复及移植材料,但是由于玻璃材料较差的机械强度和本质的脆性,使其只能应用于非承载骨方面的修复与移植.为改善生物活性玻璃材料的机械性能,部分学者通过制备多孔支架结构、制备复合材料、对玻璃进行微晶化处理、在玻璃中引入氮元素等方法对生物玻璃进行了强化.本文从生物活性玻璃的结构与成分、制备、作用机制、性能、临床应用等方面对生物活性玻璃骨修复支架材料的研究进展作一综述.

背景:生物玻璃脆性高、机械强度差,限制了其在承重部位骨缺损中的应用,氮氧玻璃具有更高的强度和硬度,因此氮化处理有望改善生物活性玻璃机械强度差的致命弱点.目的:分析氮化处理对多孔生物玻璃支架的孔隙率、抗压强度、抗弯强度、降解性能及体外矿化活性的影响.方法:以硅酸盐玻璃(SiO2-CaO-P2O5-Na2O-ZnO)为基础,对其进行氮化处理(分别用质量百分比0％,2％,4％,6％的Si3N4取代SiO2),采用熔融法制备氮氧基础玻璃(SiO2-CaO-P2O5-Na2O-ZnO-Si3N4),然后以聚氨酯海绵为模板,采用有机泡沫浸渍法制备多孔氮氧生物活性玻璃支架.检测4组支架的孔隙率、抗压强度、抗弯强度、体外降解性能.将4组支架分别浸泡于模拟体液中7 d,扫描电镜观察支架表面形貌.结果 与结论:①4组支架的孔隙率比较差异无显著性意义(P>0.05);②随着Si3N4含量的增加,多孔生物活性玻璃支架的抗压强度与抗弯强度逐渐增加,组间比较差异有显著性意义(P<0.05);③随着Si3N4含量的增加,多孔生物活性玻璃支架的体外降解性能逐渐下降;④扫描电镜显示,未经氮化处理多孔生物活性玻璃支架与含2％Si3N4多孔生物活性玻璃支架表面形成了典型的羟基磷灰石膜,其余两组未见羟基磷灰石膜形成;⑤结果表明,氮化处理可显著增强生物玻璃的机械强度,但会降低其降解性能和体外矿化活性.

目的 利用3D打印技术制备生物活性玻璃/羟基磷灰石骨修复材料,观察复合支架的表面形貌特征,检测其力学性能、孔隙率及降解性能.方法 分别采用生物活性玻璃(BG％)/羟基磷灰石(HA％)为BG0/HA100、BG10/HA90、BG20/HA80、BG30/HA70、BG40/HA60、BG50/HA50、BG100/HA0配比的混合液作为打印墨水,应用Wolfram Mathematica 9.0软件建模后利用3D打印技术制备复合支架.通过扫描电镜观察各组复合支架的外观结构、微观结构,计算支架孔隙率,检测抗压强度,最后进行体外降解实验.结果 将不同配比的各组复合支架进行宏观测量孔径均为500μm;扫描电镜后观察得出配比为BG20/HA80组微观孔隙结构较为均匀;通过EDS测试复合支架表面钙磷比接近正常人体骨组织.通过阿基米德排水法测得,除BG100/HA0组外孔隙率均达到50％以上,符合人工骨修复材料的要求,BG20/HA80组与BG100/HA0组孔隙率差异有统计学意义(t=3.375,P=0.0279);力学分析结果得出,除BG0/HA100组、BG10/HA90组外抗压强度均在2 MPa以上,满足人体松质骨的应力要求;各组进行降解性实验得出,2周后BG20/HA80组的失重率是HA100/BG0组的2.7倍.结论 利用3D打印技术制备BG20/HA80多孔生物活性玻璃/羟基磷灰石支架,孔隙率高,满足人体松质骨抗压性能要求,具有良好的降解性能,具有潜在临床应用价值.

目的:研究不同含量P2O5替代SiO2对生物活性玻璃的力学性能及生物活性的影响.方法:应用高温熔融法烧制各组分基础玻璃,P2O5含量分别为0wt％、1wt％、3wt％、6wt％、9wt％、12wt％.以聚氨酯海绵为模板,有机泡沫浸渍法制作多孔生物活性玻璃支架.万能力学试验机单轴压缩和三点弯曲法测试支架的力学性能,标准模拟体液(simulated body fluid,SBF)浸泡计算质量损失百分比及扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观察、X线衍射分析(X-ray diffraction,XRD)观测生物活性.结果:(1)五组多孔支架的抗压强度及抗弯强度测试结果显示,除P2O5含量为0wt％和1wt％两组无显著差异外,随P2O5含量增高材料的力学性能逐渐增强,但当P2O5含量达到12wt％时支架无法烧制成型.(2)五组多孔支架浸泡实验结果表示,高磷含量组材料降解性能强于低磷含量组.且随着浸泡时间延长,除P2O5含量为0wt％和1wt％两组无显著差异外,其余各组之间降解性能有显著差异.(3)在SBF中浸泡后SEM及XRD检测发现,P2O5含量为0wt％和1wt％两组无体外矿化活性,其余各组有矿化活性,且随P2O5含量增高材料体外矿化活性逐渐增强.结论:(1)添加一定量的P2O5可以显著增强生物活性玻璃的力学性能,但含量达到12wt％时支架无法成型;(2)P2O5可以显著增强生物活性玻璃的降解性能及体外矿化活性.