硅基和硼基生物活性玻璃降解性能与成骨能力的比较研究

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目的:本研究通过高温熔融-淬冷法制备硅基和硼基生物活性玻璃,研究两种生物活性玻璃的体外降解性能,体外对成骨细胞成骨功能表达的影响,以及将材料植入动物体内观察材料的降解与成骨能力,探索出两种材料于动物体内降解性能与骨再生能力的适配性。方法:根据生物活性玻璃是否含硼元素将实验材料分为2组:硅基生物活性玻璃(Silicon-based bioactive glass,Si BG)对照组和硼基生物活性玻璃(Boron based bioactive glass,BBG)实验组,用X射线衍射法(X-ray diffraction,XRD)和电子显微镜扫描法(Electron microscope scanning,SEM)检测材料的化学组成、微观形貌,并将材料浸泡在模拟体液后(Simulated body fluid,SBF),用X射线衍射法(XRD)和电子显微镜扫描法(SEM)检测材料的化学组成、微观形貌和体外生物活性,同时检测生物活性玻璃的失重率与浸泡液的p H值变化,表征生物活性玻璃的体外降解性能;将生物活性玻璃浸提液与成骨前体细胞共培养,用CCK-8法检测材料的体外细胞毒性、材料对成骨细胞增殖能力的影响,用碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase,ALP)检测试剂盒检测材料对成骨前体细胞(Mouse embryo osteoblast precursor cells,MC3T3-E1)分化能力的影响,用ALP染色和茜素红染色法观察细胞成骨分化及细胞外基质矿化能力。用3D打印方法构建多孔仿生生物活性玻璃支架,通过显微CT(Micro-CT)和光学显微镜检测支架的孔隙率和微观形貌,将支架植入兔子股骨髁骨缺损中,于术后4周、12周观察材料植入后的X线情况,处死动物,取股骨标本观察术后大体观比较愈合情况,并对植入术后12周的股骨标本行硬组织学切片染色,观察材料的体内降解情况和周围新骨生成情况。结果:材料学实验结果表明,两种生物活性玻璃粉末具有相似的颗粒大小(<50μm)和微观形貌;XRD显示材料多为非晶体状态;体外模拟浸泡30天后,Si BG的失重率为6.98%,BBG由于硼元素取代了部分硅元素,降解更快,失重率为52.3%;随着浸泡时间增加,模拟体液的p H值都在缓慢的增加,但BBG较Si BG快,浸泡1周后BBG的p H值为8.8,Si BG BBG的p H值为8.2;浸泡后的XRD显示材料出现了更多晶体状态和HA峰;Si BG和BBG体外降解实验表明两者通过降解均能转化形成羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)。材料的体外细胞毒性实验表明两种材料均有较好的体外生物相容性和安全性。细胞增殖、ALP活性实验、ALP染色和茜素红染色实验表明BBG较Si BG更能促进成骨细胞的增殖与分化。3D打印的生物活性玻璃支架孔隙率为:BBG 55.31±1.60%,Si BG 54.36±1.74%,符合现代多孔生物材料的要求;术后大体观显示两组材料植入位置良好,无明显炎症反应;X线显示:随着植入时间的增加,两组植入材料与骨缺损界面逐渐模糊,但硼基比硅基更模糊;股骨髁骨缺损植入实验表明BBG较Si BG在植入术后12周降解更快,诱导周围新骨形成更多,拥有较好的生物降解与骨再生适配性。结论:通过硼元素取代硅基中的部分硅元素,硼基生物活性玻璃较硅基生物活性玻璃生物活性更佳,有着更好的体内外降解性能与骨再生能力适配性,为现代生物材料研发与临床转化提供新的方向和理论基础。
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