多孔复合支架材料的三维打印制备及其性能研究

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目前,骨组织工程被认为是修复大段骨缺损最有效的方法之一,包括三个基本要素:细胞、支架材料、信号分子。其中,具有生物活性与可降解性的多孔支架材料能够供细胞粘附、增殖以及分化,是设计与研究的重点。本文运用三维打印快速成型技术制备多孔复合支架,研究内容包括珍珠粉/硫酸钙复合支架(Pearl/CaSO4)、介孔生物玻璃/丝素蛋白复合支架(MBG/SF)以及介孔生物玻璃/海藻酸钠-海藻酸钠分层载药复合支架(MBG/SA-SA),并对各组支架的性能进行了具体的研究与分析。得到的结果如下:(1)使用三维打印快速成型技术制备得到珍珠粉/硫酸钙复合支架(Pearl/CaSO4)。理化性能的测试结果表明,Pearl/CaSO4复合支架具有三维多孔的结构和较高的抗压强度(约8MPa左右)。以CaSO4支架作为对照组,Pearl/CaSO4复合支架拥有适宜的降解速率,能够创造弱碱性的体液环境,利于细胞的生长。细胞实验的结果表明,Pearl/CaSO4复合支架能够有效促进大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的增殖与分化,以及相关成骨基因(RUNX2、OCN、OPN、COL-1)的表达。此外,采用兔子股骨极量骨缺损的模型对Pearl/CaSO4复合支架的体内成骨性能进行表征。结果表明,含珍珠粉的复合支架比纯的硫酸钙支架具有更良好的生物活性与成骨能力,在骨缺损修复领域具有很大的应用前景。(2)采用挥发诱导自组装方法制备得到有序介孔生物活性玻璃(MBG),并从蚕茧中提取制备30 wt%浓度的丝素蛋白溶液,运用三维打印技术成功制备出介孔生物玻璃/丝素蛋白(MBG/SF)复合支架。以介孔生物玻璃/聚己内酯复合支架(MBG/PCL)为对照组,实验结果表明,相比于MBG/PCL复合支架,MBG/SF复合支架具备更为良好的机械性能(抗压强度达~20MPa),优异的细胞相容性以及促进成骨基因表达等性能。支架在裸鼠的背部皮下异位成骨的测试结果显示,MBG/SF支架相较于MBG/PCL支架更能够促进BMP-2与BSP两种成骨基因的在动物体内的表达。(3)利用三维打印技术成功制备介孔生物玻璃/海藻酸钠-海藻酸钠(MBG/SA-SA)分层骨修复支架。分层支架的主体材料和粘结剂均为海藻酸钠,通过钙离子一体化交联可以获得较高的层间结合力。其中SA水凝胶层可装载消炎类药物或抗免疫排斥药物并快速释放(24h内已经能够释放高达82%的药物);而MBG/SA层装载抗菌止痛类药物,支架首先在12小时内快速释放,但随后在长达180小时的时间内,分层支架呈现出缓释的能力,这归功于介孔生物玻璃介孔孔道对药物释放的限域效应。细胞实验结果表明,分层支架具有优异的促进人体骨髓间充质干细胞hBMSCs增殖及分化的能力,表现出优异的生物活性。本文研究结果表明,利用三维打印技术制备出Pearl/CaSO4复合支架,将珍珠粉优异的生物活性和硫酸钙骨水泥的水硬性相结合,有望提高支架的成骨性能。有机无机复合支架能够很好地模拟自然骨的结构,本文制备的MBG/SF复合支架不仅具备优异的力学性能,同时具有良好的生物相容性及促进人体骨髓间充质干细胞增殖及分化的能力,是骨修复领域极具应用前景的支架材料。MBG/SA-SA分层复合支架具有三维联通的内部结构,并且能分别装载不同药物,获得快速释放与缓慢持续释放两种药物释放模式,而且MBG/SA-SA分层支架具有良好的生物学性能,是兼具骨修复与治疗功能的新型支架材料。
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