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背景与目的:由创伤、感染、肿瘤及先天性疾病等原因造成的各类骨折和骨缺损日益增多,骨修复材料的需求量呈现快速增长趋势,但是在现有的生物医用材料中,能够用于承重骨及骨界面修复的材料尤其是无机非金属材料依然比较缺乏。本研究课题针对承重骨及骨界面修复的问题,对两个相关但不同的临床需求展开新型无机生物材料的研究:（1）针对椎体修复手术应用的新型磷酸钙复合骨水泥和（2）面向解决人工髋关节股骨侧界面结合的纳米金刚石涂层材料。在第一部分,可供椎体修复手术使用的可降解磷酸钙骨水泥的研究中,主要针对目前的磷酸钙骨水泥（CPC）注射性差、力学强度低、在体内与自体骨结合较弱等限制其临床应用的问题,拟采用添加大分子聚合物预糊化淀粉和显影剂硫酸钡到CPC骨水泥中,提高其各项物化性能,形成复合磷酸钙-淀粉-硫酸钡体系（CPB）,并且测试其体外生物相容性,研究复合骨水泥的成骨性能。同时测试其在中空椎弓根螺钉固定术和椎体后凸成形术中的应用潜力。在第二部分,研究3例人工髋关节翻修术中获得的人工股骨头和聚合物臼杯内衬样品之间的差异,分析摩擦附着物的组成和形成机制。然后根据研究结论进一步提出纳米金刚石（NCD）涂层作为人工关节界面的设想,研究NCD的表面性质及其对蛋白质吸附和成骨细胞迁移的影响。具体地,首先制备可用于人工髋关节摩擦界面的NCD涂层,探索NCD表面自由能和临界表面能与蛋白质吸附和细胞迁移等生物学响应之间的关系。方法:在第一部分用于椎体修复手术的复合磷酸钙骨水泥的研究中,通过测试Zeta电位和淀粉粘度选择合适的淀粉类型,并研究不同固化液对骨水泥力学强度的影响,得到优化成分配比的CPB骨水泥,并测试其固化时间和注射性能、抗溃散能力、表面形貌、相变和体外降解能力;对于CPB骨水泥的生物相容性,利用CCK-8测试材料的细胞毒性,SEM观察成骨细胞在骨水泥表面的粘附行为,并分别测试细胞溶血和内毒素含量。并进一步测试淀粉结构和糊化改性对复合骨水泥性能的影响,以及复合骨水泥在体外中空椎弓根螺钉固定模型和羊椎体骨质疏松性骨折模型中的弥散效果和力学增强作用。在第二部分的研究中,首先从临床采集翻修病人的失效假体,利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）分别研究人工关节金属股骨头和聚乙烯内衬表面摩痕及附着物的成分组成和形成机理。进一步考察金刚石涂层用于人工关节的生物学性能。利用微波增强等离子体化学气相沉积（MPCVD）制备纳米金刚石（NCD）和亚微米金刚石（SMCD）涂层,并采用H2、O2、NH3气体等离子体处理涂层表面,获得不同表面基团和特征的金刚石涂层。通过SEM和AFM对金刚石涂层的表面形貌及粗糙度进行表征,利用XPS分析涂层的表面化学组成。通过接触角测量,计算不同表面处理的NCD涂层表面能;使用酶联免疫吸附法（ELISA）测定纤维连接蛋白在不同表面能的NCD涂层上的吸附情况,使用预染色的成骨细胞团研究不同表面能的NCD涂层上细胞的迁移速率。结果:第一部分的研究结果显示,复合CPB骨水泥具有良好的注射性、抗溃散性能和自固化性能,力学性能良好,SEM和XRD分析发现CPB骨水泥固化后的主要成分逐渐转变为羟基磷灰石（HA）,其体外降解性能优于纯CPC骨水泥;CCK-8测试发现其无细胞毒性,成骨细胞能够在其表面粘附、铺展和增殖,溶血试验显示CPB组不会引起溶血,内毒素含量也低于行业标准。进一步研究表明,淀粉预糊化处理后可以显著改善复合骨水泥的物化和力学性能。CPB可通过空心椎弓根螺钉向周围弥散,并表现出力学增强效果;在羊椎体骨质疏松骨折模型中,CPB可在松质骨中弥散,恢复椎体高度,并具有一定的力学增强作用。第二部分的研究显示,翻修取下的人工关节表面的附着物不仅含有变性的蛋白质,而且还含有一定比例的聚合物粒子。分析表明提高人工关节摩擦界面抗磨损性能的方法之一是提高材料表面的硬度。在此基础上设计纳米金刚石（NCD）涂层用于髋关节股骨侧假体表面。NCD经不同等离子体处理后,分别在表面形成-H、-OH和-NH2基团（分别命名为NCDH、NCDO、NCDN）。XPS测试表明各基团的存在;SEM和AFM结果显示经过等离子体处理的NCD涂层表面形貌和粗糙度基本不变。接触角测试证明亲水性遵从NCDH＜NCDN＜NCDO这一规律,表面自由能和临界表面能也符合这一规律。细胞迁移实验显示,成骨细胞团在NCDO和NCDN上的铺展和迁移与NCDH相比,表现出更加快速的迁移速度和更均匀的铺展。结论:（1）本文设计的复合磷酸钙-淀粉-硫酸钡体系的骨水泥CPB,显影性能高、注射性和抗溃散性能良好、力学强度高、可生物降解、体外细胞生物相容性良好,在中空椎弓根螺钉固定模型和骨质疏松性椎体骨折模型中弥散性能良好,具有一定的力学增强作用,能够满足临床骨缺损治疗的需求,在承重椎体修复例如椎体后凸成形术上具有很大的应用价值。（2）对翻修取出的失效人工髋关节的摩擦界面的研究表明,可通过提高材料表面的硬度减少人工股骨头和聚合物内衬在体内的磨损。设计可用于人工髋关节股骨侧假体表面的NCD涂层,发现表面自由能（或临界表面能）与成骨细胞迁移之间存在很强的相关性。表面能较高的NCDO和NCDN明显比表面能低的NCDH更有利于成骨细胞迁移。这些信息将为设计用于人工关节表面的无机非金属材料提供重要信息。