结合挤出滚圆法和造孔剂法制备多孔磷酸钙生物陶瓷微球及其性能研究

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磷酸钙生物陶瓷颗粒在组成上与自然骨的无机成分相似,且可适应于填充不同形状的骨缺损部位,已被广泛应用于骨修复材料领域。磷酸钙生物陶瓷颗粒中的球形颗粒可以减少不规则颗粒在植入骨缺损部位后容易引起的炎症反应及组织损伤,在众多磷酸钙生物陶瓷球形颗粒的制备方法中,挤出滚圆法同时具备球径均一、生产率高等突出优点。本课题采用挤出滚圆法制备磷酸钙生物陶瓷微球,并通过造孔和表面改性优化磷酸钙生物陶瓷微球的性能,具体研究了赋形剂含量、造孔剂粒径及其加入量以及表面包覆改性工艺和包覆量对微球理化性能和细胞生物学性能的影响。采用挤出滚圆法制备磷酸钙生物陶瓷微球,研究关键工艺因素即赋形剂微晶纤维素(MCC)的添加量对微球理化性能和细胞生物学性能的影响。研究表明,随MCC添加量从25 wt.%间隔15 wt.%增加至70 wt.%,烧结后陶瓷微球的多孔特征越明显、开口孔隙率越高、收缩率也越大,同时抗压强度也越低以及体外降解越明显。体外细胞实验结果显示,小鼠骨髓间充质干细胞(m BMSCs)在各磷酸钙生物陶瓷微球表面均有较好的黏附、增殖和ALP活性,其中细胞在MCC添加量为40 wt.%制备的陶瓷微球表面具有综合最佳的增殖与成骨分化能力。直接采用挤出滚圆法制备的磷酸钙生物陶瓷微球的内部结构仍然是相对致密的,因此,本课题结合挤出滚圆法和造孔剂法制备多孔磷酸钙生物陶瓷微球,并研究不同造孔孔径(20、40和100μm)与造孔体积(45、60和75 vol.%)对陶瓷微球理化性能和细胞生物学性能的影响。研究表明,陶瓷微球内外均较均匀地分布着造孔剂烧失后留下的微孔,挤出滚圆法和造孔剂法可以有效结合使用。另外,随着造孔体积的增大,各造孔孔径的陶瓷微球均呈现出微孔增加、收缩率提高、体外降解增大以及抗压强度下降的趋势。体外细胞实验结果显示,m BMSCs在未造孔陶瓷微球表面增殖最快,且更快地进入早期成骨分化阶段,但7天时造孔陶瓷微球表面的细胞数已接近未造孔组,而且造孔陶瓷微球更有利于细胞的中后期成骨分化从而得到成熟成骨细胞。从挤出滚圆法本身工艺特点出发,本课题进一步结合挤出滚圆法、造孔剂法以及表面改性工艺制备表面包覆磷酸镁的多孔磷酸钙生物陶瓷微球,并研究不同包覆量(2.5、5和10 wt.%)对陶瓷微球理化性能和细胞生物学性能尤其是促成骨和/或促成血管性能的影响。研究表明,磷酸镁成功包覆在多孔磷酸钙生物陶瓷微球表面,显微结构为明显区别于磷酸钙陶瓷的致密磷酸镁层。最大包覆量的陶瓷微球有最高的收缩率、最低的孔隙率,另外两个包覆组与未包覆组区别不太明显,另外陶瓷微球的体外降解随包覆量的增大而增加。体外m BMSCs实验结果显示,与未包覆改性的多孔磷酸钙陶瓷微球对比,包覆改性的陶瓷微球表面的细胞增殖能力更优,且最大包覆量的陶瓷微球有着最高的ALP活性与成骨分化相关基因的表达。体外人脐静脉内皮细胞(HUVECs)实验结果显示,细胞增殖效果最为显著的是包覆量为5 wt.%的陶瓷微球组;包覆改性组的体外成血管能力均优于未包覆改性组,且随着包覆量增大,陶瓷微球的体外成血管能力递增;最大包覆量的陶瓷微球组的成血管相关基因表达显著最高。综合来看,磷酸镁包覆改性多孔磷酸钙生物陶瓷微球具有促成骨与促成血管的作用。
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