用于骨缺損修復(fù)的有序介孔材料的制備、改性及性能研究.pdf

1、當(dāng)前，我國社會經(jīng)濟正處于一個飛速發(fā)展的時期，建筑業(yè)、重工業(yè)的從業(yè)者日益增多，摩托車、汽車等機動交通工具的普及率逐年增高，由此引發(fā)的墜落傷、壓砸傷、車禍傷、機械傷等高能量性損傷亦層出不窮。這一類損傷經(jīng)常并發(fā)較為嚴重的粉碎性開放性骨折，局部骨缺損情況嚴重，骨修復(fù)材料市場需求巨大。適用于大段骨缺損修復(fù)的材料必須具有特定的孔隙結(jié)構(gòu)、機械強度、生物活性、可降解性、抗感染性以及可控的藥物負載能力。現(xiàn)今的骨修復(fù)材料多存在生物活性不足、修復(fù)速率慢、修復(fù)

2、效果不佳、無法抵御外界細菌感染等普遍性問題。遺憾的是，現(xiàn)今幾乎沒有人工合成的支架材料能夠同時滿足上述特性。本研究從研發(fā)新型骨修復(fù)材料、改進大段骨缺損修復(fù)效果這一研究目的出發(fā)，針對骨修復(fù)過程中面臨的感染高發(fā)與修復(fù)遲滯這兩大關(guān)鍵性難題，以有序介孔材料為基體，從材料組成改性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生物活性因子裝載等多個角度入手，構(gòu)建新型的自身具備抗感染特性與促骨修復(fù)活性的骨移植材料，并從細胞生物學(xué)、組織學(xué)、影像學(xué)等方面系統(tǒng)評價所研發(fā)材料的生物相容性、抗菌

3、特性、成骨活性以及大段骨缺損動物模型的實際修復(fù)效果，探究材料組成、結(jié)構(gòu)、生長因子與成骨效果之間的相互作用規(guī)律?；谏鲜鏊悸?，開展了以下研究工作:
　　介孔生物活性玻璃(MBG)支架因其有序規(guī)整排列的三維介孔孔道結(jié)構(gòu)成為生物材料研究的熱點，但是MBG的力學(xué)性能較差且本身無抗感染活性。針對此問題，以MBG為基體，通過殼聚糖季銨鹽衍生物（HACC-）、玉米醇溶蛋白(Zein-)、蠶絲蛋白(silk)以及O-丙烯酰胺基甲基-HACC(NM

4、A-HACC)這幾種風(fēng)格各異的功能基團對之進行改性修飾，制備了HACC改性的MBG支架(MBG-HACC)、HACC與Zein共同改性的MBG支架(MBG-HACC-Zein)、HACC與silk共同改性的MBG支架(MBG-HS)以及NMA-HACC-silk改性的MBG支架(MBG-NHS)這幾種全新的復(fù)合支架材料。接著，采用TGA、XRD、FT-IR、SEM等檢測技術(shù)驗證所制備的復(fù)合支架是否已被相應(yīng)功能基團成功修飾。然后，以莫斯特

5、朗電子拉力機檢測并比較幾種支架的機械性能的優(yōu)劣;以同步輻射顯微斷層成像技術(shù)重點剖析改性后支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu);特定方法染色后激光共聚焦掃描顯微鏡及MTT法，從定性與定量兩方面比較了幾種不同支架抗菌性能的優(yōu)劣;從細胞生存率與細胞增殖量等方面評價了幾種不同支架的生物相容性的差異。結(jié)果證明，所制備的MBG-HACC-Zein與MBG-NHS支架均具備優(yōu)良的互通孔道結(jié)構(gòu)、長效的抗菌性能、卓越的生物相容性、突出的生物活性，機械性能較MBG基體支架得到明

6、顯提升，而且不僅具有長效的預(yù)防局部感染的作用，同時生物相容性及生物活性良好。
　　為了更好地解決生物活性蛋白因子負載于支架材料后存在的爆發(fā)性釋放問題，選擇有機大分子材料玉米醇溶蛋白(Zein)作為基體，將目標(biāo)活性蛋白因子rhBMP-2負載于有序介孔二氧化硅材料SBA-15納米粒子上后，再與基體支架材料Zein相復(fù)合，以期延長rhBMP-2在骨缺損局部的作用時間，從而解決生物活性因子負載于傳統(tǒng)支架時存在的爆發(fā)性釋放問題;同時將HAC

7、C用于該復(fù)合支架的改性，以賦予支架本身顯著的抗感染活性。先制備了一系列含有不同HACC質(zhì)量百分比梯度的Zein-HACC復(fù)合支架，通過抗菌實驗以及對大鼠骨髓來源的間充質(zhì)干細胞增殖影響的MTT實驗，找尋既能使復(fù)合支架具有顯著的抗菌活性，又能保持較好細胞相容性的平衡點，以確定復(fù)合支架中最優(yōu)HACC質(zhì)量百分比用于后續(xù)研究;同時，測定不同質(zhì)量百分率的SBA-15/HACC/Zein復(fù)合支架的孔隙率、力學(xué)性能，確定后續(xù)研究中復(fù)合支架的SBA-15

8、質(zhì)量百分比，并借助掃描電鏡觀察各復(fù)合支架的表面形貌，繪制各復(fù)合支架負載的rhBMP-2體外釋放曲線，評價其緩釋效果。研究發(fā)現(xiàn)，Zein-HACC復(fù)合支架中最優(yōu)HACC質(zhì)量百分比為10 wt％，這樣既能對實驗菌株保持良好的抗菌活性，又能對所種植細胞保持良好的細胞相容性;SBA-15/HACC/Zein復(fù)合支架SBA-15含量應(yīng)低于30 wt％，這樣既能保持良好的孔隙率，又能確保相當(dāng)?shù)臋C械抗壓強度;SBA-15組分的存在可有效改善SBA-1

9、5/HAC C/Zein復(fù)合支架中攜帶的活性生物因子rhBMP-2的釋放曲線，在目標(biāo)區(qū)域局部實現(xiàn)長期穩(wěn)定釋放的效果，而且SBA-15組分含量越高，復(fù)合支架的rhBMP-2緩釋效果越好。
　　在前面研究的基礎(chǔ)上，進而將負載有rhBMP-2且含有不同SBA-15質(zhì)量百分比的各復(fù)合支架分別置于模擬體液中持續(xù)浸泡一段時間后，行SEM觀測及EDS分析，評價各組支架材料體外生物活性的優(yōu)劣;將人骨髓來源間充質(zhì)干細胞種植于負載有rhBMP-2且含

10、有不同SBA-15質(zhì)量百分比的各復(fù)合支架上，考察細胞的黏附、增殖及鋪展情況，細胞堿性磷酸酶活性及細胞外基質(zhì)礦化情況，綜合評價各組支架材料的生物相容性與促成骨分化能力的優(yōu)劣;將不同類型的細菌菌株分別定植于負載有rhBMP-2且含有不同SBA-15質(zhì)量百分比的各復(fù)合支架上，通過各組復(fù)合支架材料對細菌黏附及生物膜形成的影響情況，評價各組支架材料的抗菌性能的優(yōu)劣;將負載有rhBMP-2的支架材料Zein、Zein-HACC、Zein-S20、Z

11、ein-HACC-S20分別進行大體動物體內(nèi)肌袋包埋及橈骨骨缺損模型修復(fù)，通過異位成骨效果、micro-CT及成骨量與骨密度分析、組織學(xué)考察等指標(biāo)，評價各組支架材料促進骨組織再生以實現(xiàn)骨缺損修復(fù)的效能。研究發(fā)現(xiàn)，負載有rhBMP-2的SBA-15/HACC/Zein復(fù)合型支架材料具有良好的體外生物活性、生物相容性、促成骨分化特性及抗菌活性，尤其是負載有rhBMP-2的Zein-HACC-S20支架具有有效促進骨缺損局部新骨生成、顯著加快