胶原/磷酸钙仿生矿化材料的制备与优化

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骨修复材料是当前临床应用最广泛、实际需求量最大的生物医用材料之一。研制理想的骨修复和骨替代材料已成为临床医学和生物材料领域的重要课题方向。与合成材料相比,由胶原和羟基磷灰石为主要基质的仿生骨修复材料具有生物相容性好、能诱导骨质再生等显著优势,是当前骨修复材料研发最重要的方向之一。聚合物诱导液相前体理论(PILP)仿生矿化是胶原/磷酸钙仿生骨修复材料制备的主流模式,但依然存在制备工艺流程长,产物矿化度不高,矿化产物构造与天然骨差异性较大等显著缺陷。为此,本文尝试在PILP仿生矿化策略基础上,采用全新的滴加矿化工艺,在胶原纤维重组凝胶上原位矿化,探索制备骨修复材料的新手段,进一步改进材料性能、提升产品仿生矿化程度。主要研究内容如下:(1)矿化工艺的选择与优化以牛跟腱胶原为原料制备胶原纤维重组凝胶,以聚丙烯酸(PAA)作为诱导剂,通过滴加高浓度的钙离子、磷酸根离子溶液,在胶原纤维重组凝胶上进行原位矿化,并对PAA的加入方式、加入量、氯化钙溶液与磷酸氢二钾溶液加入速度和加入量等主要工艺参数进行优化。透射电镜分析结果表明,在胶原纤维重组凝胶上原位滴加钙、磷酸根离子溶液,可以实现胶原纤维的纤维内矿化;XRD和红外分析结果表明,采用该方法制备的矿化产物,其无机相基本以无定形的形式存在;热重分析结果表明,仿生矿化产物具有较高的矿化率。工艺参数优化结果表明直接添加10 mg PAA,控制氯化钙、磷酸氢二钾加入速率为0.0315 mmol/h,氯化钙、磷酸氢二钾加入量为0.675 mmol时,具有最佳的矿化效果。(2)静压力对仿生矿化行为和效果的影响研究在矿化工艺和条件参数优化研究的基础上,进一步引入静压力作为矿化行为的调控手段,探究静压力场对胶原/磷酸钙仿生矿化行为和产物构造性能的影响。透射电镜和扫描电镜分析结果表明,在压力环境下,游离的钙离子、磷酸根离子更容易聚集,进而形成团簇状的磷酸钙,并且随着施压时间的延长,生成磷酸钙的结晶程度逐步提高。矿化产物的结构性能分析结果表明,压力的加入会形成结晶态的无机相,且随着施压时间的延长,矿化产物中无机相的含量和结晶度会逐渐提高,进而使其热稳定性同步提升,但其溶胀比和抗压缩能力有一定程度的降低。(3)交联对矿化行为和产物性能的影响在上述研究基础上,进一步在矿化过程中引入不同交联剂作为调控手段,探讨交联对胶原/磷酸钙仿生矿化产物性能的影响。实验结果表明,不同交联剂的引入不会显著改变仿生矿化产物的微观构造,但矿化产物的孔隙结构、吸水性能、力学性能、矿化程度和热稳定性等各项性能有差异化转变。其中,交联后矿化产物的矿化程度和承压能力会明显降低,但是矿化产物的溶胀比和热稳定性有所提高。进一步对交联矿化产物的细胞相容性进行系统评价,结果表明,不同交联方法均会导致矿化产物细胞相容性的降低;与戊二醛交联相比,EDC-NHS50%和京尼平100%交联的样品更有利于细胞的生长。
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