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.

背景:骨是一种天然压电材料,具有仿生压电效应的组织工程材料可应用于骨组织缺损的修复.目的:基于固相力化学技术制备一种有促成骨能力的压电支架材料,表征其对成骨细胞黏附、增殖和成骨分化能力的影响.方法:通过固相剪切碾磨技术混合不同质量比例的聚偏二氟乙烯及NaCl粉体(质量比分别为60∶40、50∶50、40∶60、30∶70),熔融下形成块状材料后通过纯水溶解去除NaCl,最终制备得到具有不同孔隙率的聚偏二氟乙烯压电泡沫支架(依次命名为PVDF-40、PVDF-50、PVDF-60、PVDF-70).表征各组支架表面形貌、晶相构成、热力学行为、机械性能、压电性能.将4组支架分别与MG63细胞共培养,检测支架的生物相容性及促成骨分化能力.结果与结论:①扫描电镜下可见4组支架具有多层级孔隙,随着混合粉体中NaCl质量分数的增加,支架的孔隙率升高;X射线能量色散谱、X射线衍射图谱、傅里叶变换红外光谱及热失重分析结果显示,4组支架材料主体为不具压电性的α相,固相力化学激发出更多β相,以增强其压电性能,其中PVDF-60组β相含量占比最高;循环压缩测试及压电性能测试结果显示,PVDF-60组相较其他组拥有更高的压缩强度和压电性能;②扫描电镜与激光共聚焦显微镜下可见MG63细胞良好地黏附于4组支架表面,细胞形态良好并伸出较多的伪足、分泌大量细胞外基质;CCK-8实验显示,PVDF-60组培养4 d的细胞增殖吸光度值高于其他3组(P<0.000 1);碱性磷酸酶染色及茜素红染色显示,PVDF-60组碱性磷酸酶表达与钙化结节数量均高于其他3组(P<0.01,P<0.000 1);③聚偏二氟乙烯压电泡沫支架均具有较好的细胞相容性,其中PVDF-60组具有更优异的力学性能、压电性能和骨诱导能力.

目的 构建新型梯度复合羟基磷灰石-二氧化锆(HA/ZrO2)组织工程骨支架,并评估其在猕猴颈椎椎间融合中的效果.方法 通过离子交联法制备壳聚糖水凝胶作为骨形态发生蛋白2(BMP-2)的缓释载体,扫描电镜下观察其微观形态,检测其载药量、包封率及缓释速率;然后分离、培养猕猴源性骨髓间充质干细胞(BMSCs),并进行碱性磷酸酶、冯库萨染色等对其进行鉴定;最后将前期制备好的BMP-2明胶/壳聚糖凝水胶缓释系统和第3代猕猴BMSCs加载于HA/ZrO2泡沫陶瓷,以构建新型组织工程骨,并观察其形态特征.将24只雄性猕猴按照随机数字表法分成4组,其中组织工程骨组(n=8)为植入梯度复合HA/ZrO2泡沫陶瓷负载BMP-2明胶/壳聚糖水凝胶缓释系统和第3代猕猴BMSCs,泡沫陶瓷组(n=8)为植入梯度复合HA/ZrO2泡沫陶瓷,自体髂骨组(n=4)为植入自体髂骨,假手术组(n=4)为只对相应部位的软组织进行切开、缝合,未破坏其椎间盘;观察术后颈椎X线(术后即刻、8周、16周)、组织形态学表现(术后8周、16周)及测试相应节段的生物力学(术后16周).结果 扫描电镜下BMP-2明胶/壳聚糖水凝胶呈3D网状结构,内见均匀分布的壳聚糖微球,其负载BMP-2后的包封率和载药率随时间逐渐降低:第1天分别为87.4%±0.9%和58.2%±0.5%、第15天分别为45.2%±0.6%和30.1%±0.4%,累积释放率第1天为12.6%±0.11%、第15天为55%±0.16%.显微镜下观察见BMSCs的形态呈多样性,以梭形及短棒形等较常见;第3代猕猴BMSCs成骨诱导后的碱性磷酸酶、冯库萨染色以及表面特异性抗原的检测结果显示,符合BMSCs的生物学特性.不同时点的X线及组织形态学观察显示材料内部新生骨量组织工程骨组较泡沫陶瓷组明显增多;生物力学测试结果显示,在最大载荷、抗压强度和能量吸收方面假手术组均低于其他3组(P值均<0.05),在抗压强度上组织工程骨组与自体髂骨组差异无统计学意义(P>0.05).结论 BMP-2明胶/壳聚糖水凝胶缓释系统复合猕猴第3代BMSCs种植于HA/ZrO2泡沫陶瓷构建的新型组织工程骨支架,能有效促进猕猴颈椎椎间融合,在影像学及组织学表现和生物力学测试方面,可达到与自体骨相似的骨代替作用.

目的 探究以介孔生物活性玻璃(MBG)为载体搭载甲状旁腺激素(PTH)(1-34)制备支架材料,局部应用,促进大鼠脊柱后外侧融合的效用及相关机制.方法 通过改进的溶胶-凝胶-聚氨酯泡沫模板法制备MBG材料,加载不同浓度(0.1 mg、0.5 mg)PTH(1-34)制备PTH(1-34)-MBG支架.将支架材料分为3组:0.5 mg PTH组[含0.5 mg PTH(1-34)MBG的支架]、0.1 mg PTH组[含0.1 mg PTH(1-34)-MBG的支架]和对照组[不含PTH (1-34)的MBG支架].将各组支架材料与大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSC)共同培养.培养7d时通过扫描电镜观察其促进rBMSC黏附的能力,1、3、7d时使用CCK-8法检测细胞黏附与增殖情况,培养7d和14d时检测rBMSC碱性磷酸酶(ALP)活性和成骨相关基因[骨特异性转录因子(Runx)2、骨钙素(OCN)和Ⅰ型胶原(COL Ⅰ)]的表达情况.将18只SD大鼠随机均分为3组(n=6),分别将3组支架材料植入SD大鼠L4～L5双侧横突间进行脊柱后外侧融合,于术后12周取实验大鼠腰椎标本,通过Micro-CT和手动触摸检查融合情况.结果 培养7d时,0.1 mg PTH组和0.5 mg PTH组黏附的rBMSC胞质伸展程度均高于对照组.CCK-8检测显示,培养3d和7d时,0.1 mg PTH组和0.5 mg PTH组吸光度值均高于对照组(P均＜0.05).培养7d和14d时,0.1 mgPTH组和0.5 mg PTH组的ALP活性均高于对照组(P均＜0.05).培养7d和14d时,0.1 mg PTH组和0.5 mg PTH组的Runx2、OCN和COLⅠ表达均显著高于对照组(P均＜0.05).术后12周,Micro-CT检查显示,0.1 mg PTH组和0.5mg PTH组大鼠均为脊柱成功融合,对照组融合失败.手动触摸检查示,0.5 mg PTH组牢固融合6例(100％),0.1 mg PTH组牢固融合4例(66.7％),对照组融合失败.结论 以MBG为载体,搭载PTH(1-34)局部应用,可成功促进大鼠的脊柱后外侧融合.

目的 构建BMP-2明胶/壳聚糖水凝胶缓释系统,与诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPS)来源MSCs复合种植至羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)/二氧化锆(zirconium dioxide,ZrO2)生物多孔泡沫陶瓷材料,体外共培养,探索缓释系统对iPS-MSCs成骨分化的作用.方法 运用油包水相溶液制备BMP-2明胶/壳聚糖水凝胶微球,检测微球的药物包封率、载药率和体外缓释速率.建立HA/ZrO2多孔生物泡沫陶瓷材料复合iPS-MSCs及BMP-2明胶/壳聚糖水凝胶缓释系统共培养体系,作为实验组;以未复合BMP-2明胶/壳聚糖水凝胶缓释系统的细胞-支架复合物作为对照组.两组培养3、7、10、14d,检测细胞的ALP分泌量,RT-PCR检测核心结合因子α1 (core binding factor α1,Cbfa1)、Ⅰ型胶原和锌指结构转录因子(Osterix,OSX)基因表达水平;培养14d时行免疫组织化学染色观察Ⅰ型胶原表达,并通过扫描电镜观察细胞爬行及黏附状态.结果 BMP-2明胶/壳聚糖水凝胶缓释系统具有较好的药物包封率及载药率,可延长BMP-2的活性时间.共培养体系体外培养各时间点实验组ALP分泌量及Cbfa1、Ⅰ型胶原、OSX基因相对表达量均显著高于对照组,差异有统计学意义(P＜0.05).免疫组织化学染色观察示,实验组荧光数量明显多于对照组,即Ⅰ型胶原表达水平高于对照组;细胞能较均匀地分布于材料上,细胞形态良好.扫描电镜观察示缓释系统能较好地黏附于细胞之间.结论 iPS-MSCs具有促成骨分化能力,在BMP-2明胶/壳聚糖水凝胶缓释系统作用下其促成骨能力显著增强.iPS-MSCs与缓释系统结合后能良好黏附于材料上,且细胞活性较好.

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.

目的 研究石墨烯泡沫支架缓释神经轴突导向生长因子-1(netrin-1)促进糖尿病大鼠创面愈合的作用.方法 利用化学气相沉积(CVD)法制备三维石墨烯网状支架,并将其填充到水凝胶中,同时利用水凝胶负载netrin-1,制成缓释支架.将支架植入裸鼠背部,2周后检测组织损伤情况,明确支架材料的生物相容性.支架浸出液与内皮细胞共培养,CCK-8实验检测支架的细胞毒性.选用30只GK大鼠,建立糖尿病大鼠皮肤缺损模型后分为3组:空白对照组(创面不予以处理,n=10)、支架组(创面覆盖不荷载netrin-1的石墨烯泡沫支架,n=10)和支架+netrin-1组(创面覆盖荷载netrin-1的石墨烯泡沫支架,n=10).术后第3、7、14天大体观察创面愈合情况,HE染色及免疫组织化学染色明确创面愈合情况.结果 CCK-8检测显示石墨烯/netrin-1支架对于内皮细胞的增殖无抑制作用,生物毒性小.支架材料在植入裸鼠2周后未发现明显的皮肤组织损伤和炎性改变,支架组织生物相容性好.糖尿病皮肤缺损模型显示,术后第7、14天时,支架+netrin-1组在创面愈合度、上皮化程度、真皮形成厚度及皮肤血管形成方面均优于其他组.结论 石墨烯泡沫支架缓释netrin-1可促进糖尿病大鼠创面修复.

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.