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.

目的 研发制备生物玻璃/壳聚糖三维多孔支架(BG/CS),对其生物相容性及抗感染性能进行研究,阐明其抗感染作用的关键因素.方法 通过模板法制备多孔生物玻璃(BG)支架,注入壳聚糖乙酸,合成生物玻璃/壳聚糖多孔支架,此后以BG作为对照组,通过场发射扫描电镜(FESEM)观察各组材料的表面形貌和孔结构;接种Balb/c小鼠胚胎成纤维细胞(Balb/c 3T3 cells)于不同材料表面培养,分析其对细胞黏附及增殖的影响;各组支架材料分别与标准菌株ATCC 35984(表皮葡萄球菌)和ATCC 25923(金黄色葡萄球菌)共培养,以复合染料染色,在激光共聚焦显微镜(CLSM)下观察各组支架材料表面活菌和死菌的荧光强度;采用结晶紫染色法,定量分析材料表面细菌生物膜形成情况;进行细菌涂板并计数菌落(CFUs/cm2),测算抑菌效率.结果 BG/CS支架材料表面被覆一层壳聚糖,支架呈多孔结构,孔径较均一(200～400 μm);材料细胞共培养4h,BG/CS和BG表面的黏附细胞数量比较差异无统计学意义;共培养1d,两组材料表面细胞均可正常黏附和铺展;第1～7 d的增殖过程中,各组材料表面细胞的增殖趋势接近,组间细胞增殖率比较差异无统计学意义;经过8h细菌与材料共培养,CLSM下观测BG支架表面存在大量的细菌黏附(绿色荧光),BG/CS表面则显示出代表死亡细菌的红色荧光;生物膜定量实验显示在2～5 h,5～8 h,与BG组相比,BG/CS支架则明显抑制了生物膜的形成(P＜0.01);共培养12h,与BG组相比,BG/CS组胰酶大豆琼脂平板(TSA)培养板表面细菌的单克隆菌落数明显较少,表现出较高的抑菌效率(P＜0.01).结论 生物玻璃/壳聚糖三维多孔支架(BG/CS)具有较好的体外生物相容性和抗感染性能,有望作为一种应用于骨关节感染预防及治疗的骨修复填充材料.

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:研究不同含量ZnO取代A12O3对多孔生物玻璃(Bioglass,BG)支架的孔隙率、抗压强度(Compressive Strength,CS)、抗弯强度(Bending Strength,BS)、降解性能及体外矿化活性的影响,为开展新型高强度BG骨修复支架材料的研究和相关产品开发提供一定的理论支持.方法:本实验以铝硅酸盐玻璃为基础,用不同含量的ZnO取代A12O3,采用熔融法制备基础玻璃,然后以聚氨酯海绵为模板,采用有机泡沫浸渍法制备多孔BG支架,分别为A组:不含ZnO的BG支架,B组:含lwt％ZnO的BG支架,C组:含2wt％ZnO的BG支架,D组:含3wt％ZnO的BG支架,并研究不同含量ZnO对多孔BG支架的孔隙率、CS、BS、降解性能及体外矿化活性的影响.孔隙率用阿基米德法测定,CS及BS用万能力学试验机测定,降解性能用多孔BG支架在模拟体液(Simulated Body Fluid,SBF)中的失重进行表征,表面形貌通过扫描电镜(Scanning Electron Mi-croscope,SEM)观察,表面物象组成通过X线衍射分析(X-ray Diffraction,XRD)检测.结果:用不同含量的ZnO取代A12O3后:①A、B、C、D四组孔隙率无统计学差异(P＞0.05);②A、B、C、D四组CS逐渐下降,有统计学差异(P＜0.05),两两比较,有统计学差异(P＜0.05);③A、B、C、D四组BS逐渐下降,有统计学差异(P＜0.05),两两比较,有统计学差异(P＜0.05);④在SBF中浸泡7d后,A、B、C、D四组的失重比例逐渐增大,有统计学差异(P＜0.05),两两比较,A组与B组无统计学差异(P＞0.05),其余各组均有统计学差异(P＜0.05);⑤在SBF中浸泡7d后,A组、B组无体外矿化活性,D组体外矿化活性优于C组.结论:在本实验中:①ZnO取代A12O3对多孔BG支架的孔隙率影响较小,孔隙率主要受聚氨酯海绵尺寸的影响.②ZnO取代A12O3能增强多孔BG支架的降解性能及体外矿化活性,但是会降低其抗压强度及抗弯强度.

背景:介孔材料具有高比表面积、高孔容、孔径连续可控等特点是优秀的缓释载体材料,其在骨修复领域应用广泛.目的:总结介孔材料在骨修复领域中的应用进展.方法:由第一作者检索1990年1月至2021年4月PubMed、Web of Science、中国知网及万方数据库中相关文献,英文检索词为"Mesoporous nanoparticles,Biological materials,Control release,Bone regeneration,Mesoporous materials,Support material,Nanomaterials,Porous materials",中文检索词为"生物材料、介孔材料、骨再生、骨修复、药物控释、支架材料、纳米材料、多孔材料".最终纳入72篇文献进行分析总结.结果 与结论:①介孔材料治疗骨缺损疾病有着独有的优势:介孔低纳米级的孔径可以有效控制药物(如骨形态发生蛋白、庆大霉素等)长期稳定地释放;一些介孔材料不仅可以被生物体吸收,甚至自身具有骨诱导活性促进骨生成;某些材料不仅机械强度高,而且有更加轻便等优良特性.②目前在此方面研究较多的几类材料有硅基材料、碳材料、羟基磷灰石、生物玻璃及金属材料,这些材料结构稳定、易于表面功能化,有着良好的生物相容性且机械性能好,是治疗修复骨缺损的优秀候选材料.③在硅基材料中,二氧化硅的中空微球结构使得其载药量大,硅酸盐材料可被生物体吸收或者与骨整合.④介孔碳材料有2类,其一是介孔碳微球,中空球体,载药量大,可被生物体代谢;其二介孔碳纳米管,机械强度极高,材料轻便,具有导电性,有一定骨诱导能力,可成为骨替代材料,这使其成为最富有应用前景的骨修复材料,甚至替代缺损肢体成为新型生物义肢.⑤羟基磷灰石具有骨传导能力,在骨修复治疗的临床已得到广泛应用(如牙科修复材料),其介孔化负载骨形态发生蛋白后,植入非承重骨缺损部位时,不仅可促进骨再生而且羟基磷灰石可被生物体吸收.⑥介孔生物玻璃,即第3代生物玻璃,其生物体内降解产物具有促骨生成特性,由于此类材料的合成多样性,其于强化的结构功能及良好的生物相容性使其成为最优秀的骨修复材料.⑦将金属材料用作骨替代材料的研究发现,把金属植入体表面介孔化后,即使不负载药物,植入物表面的成骨细胞攀附也比普通植入物更好.

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.