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骨组织工程支架材料是当前生物医用材料的研究热点。然而由于支架材料设计、制备过程控制以及材料与组织的相互作用机理方面仍然存在诸多科学和技术问题,影响了其工程化应用。本研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、力学性能测试、体外培养及溶血试验等手段,针对磷酸钙骨水泥(CPC)/聚乳酸-聚羟基乙酸(PLGA)这一具有良好应用前景的支架材料,深入研究了其制备过程中的结构控制和力学性能,评估了其生物学特性,包括体外(in vitro)行为以及与细胞和组织的作用;然后将支架材料与兔骨髓基质干细胞复合,构建组织化工程骨,通过X线摄片、组织细胞形态学观察、微观分析等手段重点研究了该组织化工程骨在动物体内与周围组织和环境的作用。得到了以下主要结果:
1)制备出了具有良好力学性能的CPC-PLGA有机-无机复合材料,抗压强度达到40.5 MPa,弹性模量在2.5~13.8GPa之间,与人体骨组织的力学性能基本一致。PLGA的加入,减少了材料内部缺陷(孔隙),抑制了裂纹的扩展,因而有助于提高材料的力学性能。但由于其本身强度较低,PLGA过多的加入量(超过30vol%),将导致材料力学性能下降。
2)所制备的CPC-PLGA复合材料具有良好的固化性能,初凝时间在3.5~5 min之间,终凝时间在11~14 min之间,达到临床应用要求。固化后的产物主要是羟基磷灰石(Ca5(PO4)3OH,HA),及少量未反应完全的磷酸四钙(Ca4(PO4)2O,TTCP)。PLGA的加入对CPC-PLGA复合材料的固化时间和最终物相组成无显著影响。
3)所制备的CPC-PLGA复合材料在模拟体液中的浸泡7d,表面出现了明显的生物性磷灰石层,显示出很好的生物活性。在体液中浸泡的pH值在6.2~8.8之间,对细胞的刺激性小。不同浓度的CPC-PLGA复合材料浸提液对骨髓基质干细胞的细胞毒性均为1级,溶血率均<5%。这些结果都表明材料具有优异的生物相容性。此外,PLGA在浸泡过程中会逐渐降解,为细胞的长入提供合适的孔隙,因此,材料还具有很好的骨传导特性。
4)将骨髓基质干细胞做为种子细胞,种植于CPC-PLGA支架材料上,细胞能够顺利生长、增殖,细胞与支架材料的粘附良好,成功构建了新型的组织工程化骨。
5)组织化工程骨植入动物体内后,没有产生明显的排异反应,新骨形成速度快,成骨反应显著,成骨量多。28d时软骨细胞向成骨细胞发生明显形态改变,形成成熟骨小梁。表明该新型组织工程化骨具有良好的生物相容性和生物活性,能促进骨组织生长,在骨缺损修复方面具有很好的应用前景。