機(jī)械活化-聚多巴胺雙重增強(qiáng)多孔磷酸鈣骨水泥支架的研究.pdf

1、磷酸鈣骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)由于具有較好的生物相容性，在臨床上已廣泛用作骨組織的修復(fù)材料。但CPC力學(xué)性能較差，無法作為負(fù)重部位的骨填充材料;另一方面CPC缺乏利于細(xì)胞和組織生長的孔隙，而在組織工程應(yīng)用中受到限制。機(jī)械活化是一種粉末原料的增強(qiáng)方法，通過將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w物質(zhì)的內(nèi)能，達(dá)到提高物質(zhì)活性、促進(jìn)其物理化學(xué)反應(yīng)的目的;聚多巴胺（Polydopamin，PDA）是多巴胺(Dopami

2、ne，DA)單體通過氧化自聚合形成的一種具有強(qiáng)粘附性能的高聚物。PDA表面的鄰苯二酚基團(tuán)使其具有較高的反應(yīng)活性，且研究表明PDA具有良好的生物相容性。因此，本論文以氣體發(fā)泡法制備多孔磷酸鈣骨水泥支架(CPC-S)，并通過機(jī)械活化和聚多巴胺雙重增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度，研究和優(yōu)化CPC-S的制備工藝，進(jìn)而探索機(jī)械活化和PDA對CPC-S抗壓強(qiáng)度、物相組成和生物相容性等性能的影響規(guī)律和相關(guān)機(jī)理。
　　本研究選用Biocement D磷酸鈣骨水泥

3、配方，以機(jī)械活化后的磷酸鈣骨水泥粉末(BCPC-P)為起始原料，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化機(jī)械活化磷酸鈣骨水泥多孔支架(BCPC-S)的工藝參數(shù)，制備具有一定孔隙率及較高強(qiáng)度的BCPC-S。結(jié)果表明，BCPC-P的粒徑隨機(jī)械活化的時(shí)間增加而減小，機(jī)械活化6h后的BCPC-P的粒徑穩(wěn)定，相比未經(jīng)機(jī)械活化的CPC-P，BCPC-P的原料粒徑和密度減小而比表面積增大，粉末內(nèi)部和粉末間具有大量反應(yīng)活性位點(diǎn)和孔隙，因此促進(jìn)了BCPC的水化，使顆粒的結(jié)合更加

4、緊密，改善了BCPC-S的可注射性和抗?jié)⑸⑿?。掃描電鏡(SEM)圖片顯示活化后的BCPC-S和未活化的CPC-S均具有數(shù)十微米和數(shù)百微米兩種尺度的孔隙結(jié)構(gòu)(孔隙率分別為65.50±2.22％，77.98±0.58％)，但BCPC-S抗壓強(qiáng)度(4.11±0.46 MPa)顯著高于未活化的CPC-S(1.99±0.43 MPa)。X射線衍射(XRD)和透射電鏡(TEM)結(jié)果表明機(jī)械活化作用提供了能量，降低了磷酸鈣晶體的晶粒尺寸和結(jié)晶度，促進(jìn)

5、了DCPD向DCPA和非晶磷酸鈣的轉(zhuǎn)化和磷酸鈣鹽的沉積再結(jié)晶，使BCPC-S水化更加完全，固化后抗壓強(qiáng)度得以提高。
　　通過加入DA使其在BCPC-S固化過程中氧化自聚合生成PDA以黏附CPC顆粒的方法，提高了PDA/BCPC-S的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)縮短了其凝固時(shí)間（初凝時(shí)間20.15±1.75min，終凝時(shí)間50.35±4.05 min）。當(dāng)氧化時(shí)間和DA濃度分別為2d和40 mg/mL時(shí)，PDA增強(qiáng)效果最佳(5.03±0.67 M

6、Pa)，且增強(qiáng)后仍保持較高孔隙率(77.5±2.54％)。將PDA/BCPC-S在SBF中進(jìn)行礦化實(shí)驗(yàn)，XRD結(jié)果顯示其結(jié)晶度比BCPC-S更高，而SEM結(jié)果表明PDA/BCPC-S的礦化層具有微/納米多級結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)猷彵蕉踊鶊F(tuán)與Ca2+螯合，并以此為HA形核位點(diǎn)，降低了形核功，從而導(dǎo)致不均勻形核結(jié)晶，最終促進(jìn)了其礦化產(chǎn)物HA的形核結(jié)晶及生長。
　　蛋白吸附實(shí)驗(yàn)顯示PDA/BCPC-S礦化后形成的微/納米多級結(jié)構(gòu)促進(jìn)了牛血清白

7、蛋白(BSA)在支架表面的吸附。吸附等溫曲線及其擬合方程表明該吸附符合Langmuir模型(R2=0.999)，結(jié)果顯示該吸附為吸熱反應(yīng)，PDA/BCPC-S相較于BCPC-S和BCPC更易吸附BSA;吸附動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果符合二級吸附動(dòng)力學(xué)模型(R2=0.999)，說明該吸附屬于化學(xué)吸附，且PDA的加入使BCPC-S對BSA的吸附速率加快。
　　將PDA/BCPC-S與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)共培養(yǎng)，并進(jìn)行體外生物學(xué)評價(jià)。利用3-

8、（4,5-二甲基噻唑-2）-2,5-二苯基四氮唑溴鹽(MTT)檢測材料的細(xì)胞毒性，結(jié)果顯示PDA/BCPC-S對細(xì)胞基本無毒性，共培養(yǎng)1、3和5d時(shí)均促進(jìn)了MSC細(xì)胞增殖;而BCPC和BCPC-S共培養(yǎng)初期其細(xì)胞相對增殖率RGR較低，共培養(yǎng)5d后對細(xì)胞幾乎無毒性。熒光染色和掃描電鏡表征發(fā)現(xiàn)三組支架表面均有粘附的MSC細(xì)胞，細(xì)胞伸出偽足并鋪展于材料表面，細(xì)胞具有多種形態(tài)，說明三組材料具有較好的生物相容性;其中PDA/BCPC-S細(xì)胞數(shù)最多

9、，鋪展最完整，證明礦化表面的微納結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞粘附和增殖。ALP檢測結(jié)果顯示PDA/BCPC-S與MSC共培養(yǎng)3、5和7d后，MSC增殖活性和成骨分化能力隨時(shí)間延長而增大，PDA/BCPC-S對細(xì)胞的成骨分化能力有促進(jìn)作用。茜素紅染色結(jié)果表明PDA的加入起到了類似成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基的作用，使MSC在普通培養(yǎng)基中也能向成骨分化，促進(jìn)了MSC細(xì)胞的礦化。
　　本論文研究和優(yōu)化了PDA/BCPC-S復(fù)合支架材料的制備工藝，顯著提高了PDA/