多孔磷酸鈣骨組織工程支架的可控制備與性能研究.pdf

1、骨組織工程的提出和發(fā)展改變了傳統(tǒng)的骨缺損修復(fù)治療模式,同時(shí)也對(duì)支架的制備提出了更高的要求。然而,在當(dāng)前的骨組織工程陶瓷支架研究中,存在著強(qiáng)度較低、影響支架性能的微細(xì)結(jié)構(gòu)的制備不可控,以及燒結(jié)與性能之間的矛盾等問題,極大地限制了支架的臨床應(yīng)用。支架作為骨組織工程的關(guān)鍵要素之一,其三維精細(xì)結(jié)構(gòu)的成形嚴(yán)重依賴于制備技術(shù)。隨著自由成形技術(shù)的發(fā)展,以擠出沉積成形技術(shù)為代表的直寫技術(shù)以其極高的材料適用性和柔性顯示了在微納米生物材料成形方面的巨大優(yōu)勢(shì)

2、,結(jié)合微波快速燒結(jié)技術(shù),為解決上述問題提供了有力的手段。
　　為滿足骨組織工程支架在結(jié)構(gòu)、力學(xué)和生物學(xué)等方面的要求,本文以多孔磷酸鈣支架為研究對(duì)象,建立基于電機(jī)助推擠出沉積成形技術(shù)與微波快速燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的陶瓷支架可控制備工藝體系。通過材料學(xué)測(cè)試與生物學(xué)評(píng)價(jià),結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬及理論分析,探討支架微觀結(jié)構(gòu)、燒結(jié)工藝等與力學(xué)性能、降解性、生物學(xué)性能的關(guān)系,總結(jié)并提出材料微觀結(jié)構(gòu)可控制備及其性能優(yōu)化的途徑和方法。
　　根據(jù)擠出成形工

3、藝對(duì)漿料性能的要求,制備了具有良好分散性、穩(wěn)定性的高濃度納米羥基磷灰石(HA)漿料,闡述了納米陶瓷粒子的穩(wěn)定分散機(jī)理。結(jié)果表明,在PH=9,分散劑PAA-NH4含量為1％(與粉體質(zhì)量相比)的條件下,平均粒徑為20nm的HA陶瓷顆粒在漿料能夠獲得良好的分散穩(wěn)定性,濃度為25~40vol%的納米HA漿料具有良好的自支持能力與合適的凝固速度,可用于擠出沉積成形。
　　發(fā)展了基于電機(jī)助推式擠出沉積成形技術(shù)與微波快速燒結(jié)工藝相結(jié)合的支架可控

4、制備技術(shù),建立了漿料在噴嘴內(nèi)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型和工藝參數(shù)匹配模型,優(yōu)化了支架的微波燒結(jié)工藝。制備了具有不同解剖外形(立方體、圓柱、脛骨輪廓)與不同內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)(三角形、四邊形、六邊形等)的多孔HA支架,支架結(jié)構(gòu)可控,孔隙率可調(diào),且連通性良好。經(jīng)1200℃(40℃/min,30min)微波燒結(jié)后,支架收縮均勻,平均收縮率為31.8%,致密度高、晶粒細(xì)小均勻(1.12±0.23μm)。強(qiáng)度測(cè)試表明,微波燒結(jié)有利于提高多孔支架的力學(xué)強(qiáng)度,孔隙率約5

5、0%的支架平均抗壓強(qiáng)度為45.57MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)燒結(jié)工藝所得的支架的強(qiáng)度。
　　有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,支架結(jié)構(gòu)特征通過影響支架內(nèi)應(yīng)力的大小與分布,從而影響支架的承載能力。結(jié)構(gòu)特征對(duì)支架力學(xué)性能影響的權(quán)重關(guān)系為:孔隙率>孔洞大小>孔洞形狀。對(duì)于孔洞結(jié)構(gòu)均勻的HA支架,抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系為:.3-4.825pln432lnσ=。為進(jìn)一步提高支架強(qiáng)度,設(shè)計(jì)并可控制備了帶有“微加強(qiáng)筋”的多孔支架,平均抗壓強(qiáng)度為84.2M

6、Pa(孔隙率約50%),其強(qiáng)度與相同孔隙率條件下未設(shè)置加強(qiáng)筋的支架相比提高了約80%,與皮質(zhì)骨的強(qiáng)度相當(dāng)。同時(shí),該結(jié)構(gòu)支架在降解過程中保持了良好的力學(xué)穩(wěn)定性,能夠?yàn)榧?xì)胞的分化與組織的生長(zhǎng)提供更長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)度支持。解理是多孔陶瓷支架的主要斷裂機(jī)理,在拉應(yīng)力的作用下支架將從擠出絲的搭接處發(fā)生斷裂。
　　體外模擬降解實(shí)驗(yàn)與細(xì)胞-支架的聯(lián)合培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,多孔HA支架在生理鹽水中能夠緩慢降解釋放出Ca2+,并能在SBF中沉積形成類骨磷灰石層,

7、具有良好的生物相容性,細(xì)胞能夠迅速而緊密地在支架的表面與側(cè)壁形成生物學(xué)黏附,并能夠進(jìn)入支架的內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的貼附與生長(zhǎng)。微波燒結(jié)支架因燒結(jié)時(shí)間短,升溫速率快,晶粒結(jié)構(gòu)細(xì)小,其降解速率快于常規(guī)燒結(jié)支架,有利于成骨細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)和增殖。
　　本文研究表明,以擠出沉積成形技術(shù)為代表的直寫技術(shù)結(jié)合微波燒結(jié)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)植入支架的個(gè)性化制造,并能同時(shí)提高支架的力學(xué)性能與生物學(xué)性能,為解決磷酸鈣陶瓷支架臨床應(yīng)用瓶頸提供了依據(jù),豐富和發(fā)展了生物