仿贻贝粘结剂/磷酸钙复合物及其3D打印的研究

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磷酸钙基骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)材料因其良好的生物相容性和骨传导性,成为常用的骨修复材料之一。但CPC力学强度不足和固有的脆性限制了其临床应用。另传统的CPC骨修复支架制备方式难以构建复杂结构并精确匹配骨缺损。受自然骨“无机/有机”复合结构的启发,通常将有机组分加入CPC提高其力学性能。然而,在水环境下有机组分与CPC间的低相互作用,以及有机组分自身的低力学强度阻碍了复合CPC支架力学性能的改善。受贻贝粘性蛋白的启发,本研究将仿贻贝粘结剂(p(DMA-co-MEA),p DM)加入CPC中制备仿贻贝粘结剂/磷酸钙基骨水泥复合CPC支架,利用p DM在水环境中与CPC较强的相互作用以及自身的高强度提高复合CPC支架的力学性能。其次,研制适用于挤出式3D打印的p DM/CPC复合浆料,3D打印支架以满足个性化定制的要求;最后评价复合CPC支架和3D打印支架的细胞相容性。本研究通过离心干燥法将p DM引入CPC制备复合CPC支架。结果发现随着p DM含量的增加,复合CPC支架的压缩韧性提高;当p DM与CPC的质量比为0.35:1(w/w)时,复合CPC支架的压缩强度达到了最大值29.71±3.5 MPa,约为对照组(纯CPC支架)的5倍。傅里叶红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)结果表明,CPC与p DM间产生了氢键及配位交联作用;扫描电镜(SEM)观察发现水化过程中p DM与CPC颗粒之间由于增强的相互作用逐渐紧密;核磁共振氢谱(~1H NMR)和Raman结果表明水化过程中p DM自身会发生配位交联和氧化交联作用;X射线衍射(XRD)表明在蒸汽预水化和浸没水化后,复合CPC支架中HA的相对含量约为70%,p DM的存在抑制了CPC的水化反应。通过共混干燥法将p DM包裹于CPC粉末表面制备复合CPC粉末,并将复合CPC粉末与RO水混合制备出适用于挤出式3D打印的复合CPC浆料。XPS和FTIR结果表明p DM与CPC间形成氢键;随着p DM含量的增加,粉末Zeta电位的绝对值增大,有利于粉末的分散;随p DM含量的增高,复合CPC浆料的最优液固比降低、固化时间缩短和成型性能提高,利于复合CPC浆料的3D打印。Raman及XRD数据表明水化过程中,p DM会与CPC表面和溶解的Ca2+之间产生配位交联作用;p DM的存在抑制了CPC的水化。将复合CPC支架和3D打印支架与骨髓间充质干细胞(Mesenchymal stem cell,MSC)体外共培养7天。Alamar Blue结果显示,相较于纯CPC支架,复合CPC支架更有利于促进细胞的增殖;3D打印支架与纯CPC支架的细胞增殖未有显著性差异。采用荧光显微镜拍摄与复合CPC支架和3D打印支架共培养3天的荧光蛋白转染的人脐静脉内皮细胞(Human Umbilical Vein Endothelial Cells,HUVEC),结果表明HUVEC可以在复合CPC支架以及3D打印支架上粘附,铺展。碱性磷酸酶活性结果显示,相较于纯细胞组,3D打印支架的细胞碱性磷酸酶活性更强。但是随着3D打印支架中p DM含量的增加,抑制了细胞的碱性磷酸酶活性。综上,本研究将p DM引入CPC,利用p DM在水中的高粘性及自身较高的韧性,成功制备了一种兼具高韧性和高强度的复合CPC支架;在此基础上开发了具备优良的挤出性和成型性,并适用于挤出式3D打印的复合CPC浆料,实现了支架的个性化定制;复合CPC支架和3D打印支架具有优良的细胞相容性,为临床骨修复材料开发提供了一种新思路。
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