定制式骨质疏松适用型3D打印钛合金植入物的开发与生物学评价

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随着老龄人口数量的激增,骨质疏松引起的骨缺损和骨损伤呈高发趋势,而且由于骨质疏松患者的骨组织密度低,其在骨修复和骨替代术后更难痊愈。3D打印技术的兴起,为骨质疏松患者骨缺损和骨替代治疗手术中使用植入体的制备带来了一种全新的方法。通过调整植入体的多孔结构可以获得与骨质疏松患者骨组织力学性能相近的植入体,可有效避免应力屏蔽效应,有利于植入体与骨组织之间的结合。但3D打印钛合金植入体的孔洞结构不利于实现对前成骨细胞的三维接触诱导,仍需借助其他微结构材料填充孔洞结构。因此本文根据骨质疏松患者骨组织的特点,制备出对前成骨细胞具有三维接触诱导作用的钛基/胶原基嵌套式复合仿生骨支架。通过HF/HNO3双酸处理和微弧氧化处理对3D打印多孔植入体进行表面改性。酸蚀处理后植入体表面出现大量凹坑结构,增大植入体的表面积。当增加酸蚀时间时,植入体表面表现出更好的润湿性,抗压强度和弹性模量有所下降。酸蚀处理后,通过微弧氧化法在植入体表面制备多孔钙磷涂层,随着电压的增加,氧化层表面微孔直径、氧化层厚度、表面粗糙度均逐渐增加,润湿性也有所改善。微弧氧化处理样品在模拟体液浸泡实验和细胞增殖实验中表现出良好的生物活性和生物相容性。利用冷冻干燥法制备出可以注射到3D打印多孔植入体内的胶原/壳聚糖/骨粉(Col/CS/Bone)多孔内支架。研究发现随着Col与CS质量比的下降,支架中纤维状结构减少,片状结构增多,且Bone分布更加均匀,孔隙率和吸水率降低,抗菌效果更明显;当Col与CS质量比为1:9时,Col/CS/Bone内支架的抑菌率最高。Col、CS和Bone之间为化学结合,当CS所占质量比减少时,Col和Bone与CS间的相互作用力减小,支架的稳定性和变性温度随之下降。此外,Col/CS/Bone内支架具有良好的生物相容性,细胞在支架表面的生长情况良好。将Col/CS/Bone混合液填充入改性后的钛基植入体内,经冷冻干燥后,获得钛基/胶原基嵌套式复合仿生骨支架。注射到3D打印多孔结构中的Col/CS/Bone混合液经冷冻干燥后仍可保持内支架纤维状和片状结构共存的多孔结构,但由于植入体孔洞结构较小,填充后的内支架的孔洞尺寸变小,纤维状结构减少,且可黏附在多孔植入体表面并与之发生化学结合。钛基/胶原基嵌套式复合仿生骨支架拥有良好的生物相容性,细胞在钛基/胶原复合骨支架表面的增殖能力要高于未填充胶原基支架的钛基骨支架。
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