用于骨缺損修復(fù)的有序介孔材料的制備、改性及性能研究.pdf

1、當(dāng)前，我國社會經(jīng)濟正處于一個飛速發(fā)展的時期，建筑業(yè)、重工業(yè)的從業(yè)者日益增多，摩托車、汽車等機動交通工具的普及率逐年增高，由此引發(fā)的墜落傷、壓砸傷、車禍傷、機械傷等高能量性損傷亦層出不窮。這一類損傷經(jīng)常并發(fā)較為嚴(yán)重的粉碎性開放性骨折，局部骨缺損情況嚴(yán)重，骨修復(fù)材料市場需求巨大。適用于大段骨缺損修復(fù)的材料必須具有特定的孔隙結(jié)構(gòu)、機械強度、生物活性、可降解性、抗感染性以及可控的藥物負(fù)載能力。現(xiàn)今的骨修復(fù)材料多存在生物活性不足、修復(fù)速率慢、修復(fù)

2、效果不佳、無法抵御外界細(xì)菌感染等普遍性問題。遺憾的是，現(xiàn)今幾乎沒有人工合成的支架材料能夠同時滿足上述特性。本研究從研發(fā)新型骨修復(fù)材料、改進大段骨缺損修復(fù)效果這一研究目的出發(fā)，針對骨修復(fù)過程中面臨的感染高發(fā)與修復(fù)遲滯這兩大關(guān)鍵性難題，以有序介孔材料為基體，從材料組成改性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生物活性因子裝載等多個角度入手，構(gòu)建新型的自身具備抗感染特性與促骨修復(fù)活性的骨移植材料，并從細(xì)胞生物學(xué)、組織學(xué)、影像學(xué)等方面系統(tǒng)評價所研發(fā)材料的生物相容性、抗菌

3、特性、成骨活性以及大段骨缺損動物模型的實際修復(fù)效果，探究材料組成、結(jié)構(gòu)、生長因子與成骨效果之間的相互作用規(guī)律。基于上述思路，開展了以下研究工作:
　　介孔生物活性玻璃(MBG)支架因其有序規(guī)整排列的三維介孔孔道結(jié)構(gòu)成為生物材料研究的熱點，但是MBG的力學(xué)性能較差且本身無抗感染活性。針對此問題，以MBG為基體，通過殼聚糖季銨鹽衍生物（HACC-）、玉米醇溶蛋白(Zein-)、蠶絲蛋白(silk)以及O-丙烯酰胺基甲基-HACC(NM

4、A-HACC)這幾種風(fēng)格各異的功能基團對之進行改性修飾，制備了HACC改性的MBG支架(MBG-HACC)、HACC與Zein共同改性的MBG支架(MBG-HACC-Zein)、HACC與silk共同改性的MBG支架(MBG-HS)以及NMA-HACC-silk改性的MBG支架(MBG-NHS)這幾種全新的復(fù)合支架材料。接著，采用TGA、XRD、FT-IR、SEM等檢測技術(shù)驗證所制備的復(fù)合支架是否已被相應(yīng)功能基團成功修飾。然后，以莫斯特

5、朗電子拉力機檢測并比較幾種支架的機械性能的優(yōu)劣;以同步輻射顯微斷層成像技術(shù)重點剖析改性后支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu);特定方法染色后激光共聚焦掃描顯微鏡及MTT法，從定性與定量兩方面比較了幾種不同支架抗菌性能的優(yōu)劣;從細(xì)胞生存率與細(xì)胞增殖量等方面評價了幾種不同支架的生物相容性的差異。結(jié)果證明，所制備的MBG-HACC-Zein與MBG-NHS支架均具備優(yōu)良的互通孔道結(jié)構(gòu)、長效的抗菌性能、卓越的生物相容性、突出的生物活性，機械性能較MBG基體支架得到明

6、顯提升，而且不僅具有長效的預(yù)防局部感染的作用，同時生物相容性及生物活性良好。
　　為了更好地解決生物活性蛋白因子負(fù)載于支架材料后存在的爆發(fā)性釋放問題，選擇有機大分子材料玉米醇溶蛋白(Zein)作為基體，將目標(biāo)活性蛋白因子rhBMP-2負(fù)載于有序介孔二氧化硅材料SBA-15納米粒子上后，再與基體支架材料Zein相復(fù)合，以期延長rhBMP-2在骨缺損局部的作用時間，從而解決生物活性因子負(fù)載于傳統(tǒng)支架時存在的爆發(fā)性釋放問題;同時將HAC

7、C用于該復(fù)合支架的改性，以賦予支架本身顯著的抗感染活性。先制備了一系列含有不同HACC質(zhì)量百分比梯度的Zein-HACC復(fù)合支架，通過抗菌實驗以及對大鼠骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞增殖影響的MTT實驗，找尋既能使復(fù)合支架具有顯著的抗菌活性，又能保持較好細(xì)胞相容性的平衡點，以確定復(fù)合支架中最優(yōu)HACC質(zhì)量百分比用于后續(xù)研究;同時，測定不同質(zhì)量百分率的SBA-15/HACC/Zein復(fù)合支架的孔隙率、力學(xué)性能，確定后續(xù)研究中復(fù)合支架的SBA-15

8、質(zhì)量百分比，并借助掃描電鏡觀察各復(fù)合支架的表面形貌，繪制各復(fù)合支架負(fù)載的rhBMP-2體外釋放曲線，評價其緩釋效果。研究發(fā)現(xiàn)，Zein-HACC復(fù)合支架中最優(yōu)HACC質(zhì)量百分比為10 wt％，這樣既能對實驗菌株保持良好的抗菌活性，又能對所種植細(xì)胞保持良好的細(xì)胞相容性;SBA-15/HACC/Zein復(fù)合支架SBA-15含量應(yīng)低于30 wt％，這樣既能保持良好的孔隙率，又能確保相當(dāng)?shù)臋C械抗壓強度;SBA-15組分的存在可有效改善SBA-1

9、5/HAC C/Zein復(fù)合支架中攜帶的活性生物因子rhBMP-2的釋放曲線，在目標(biāo)區(qū)域局部實現(xiàn)長期穩(wěn)定釋放的效果，而且SBA-15組分含量越高，復(fù)合支架的rhBMP-2緩釋效果越好。
　　在前面研究的基礎(chǔ)上，進而將負(fù)載有rhBMP-2且含有不同SBA-15質(zhì)量百分比的各復(fù)合支架分別置于模擬體液中持續(xù)浸泡一段時間后，行SEM觀測及EDS分析，評價各組支架材料體外生物活性的優(yōu)劣;將人骨髓來源間充質(zhì)干細(xì)胞種植于負(fù)載有rhBMP-2且含

10、有不同SBA-15質(zhì)量百分比的各復(fù)合支架上，考察細(xì)胞的黏附、增殖及鋪展情況，細(xì)胞堿性磷酸酶活性及細(xì)胞外基質(zhì)礦化情況，綜合評價各組支架材料的生物相容性與促成骨分化能力的優(yōu)劣;將不同類型的細(xì)菌菌株分別定植于負(fù)載有rhBMP-2且含有不同SBA-15質(zhì)量百分比的各復(fù)合支架上，通過各組復(fù)合支架材料對細(xì)菌黏附及生物膜形成的影響情況，評價各組支架材料的抗菌性能的優(yōu)劣;將負(fù)載有rhBMP-2的支架材料Zein、Zein-HACC、Zein-S20、Z

11、ein-HACC-S20分別進行大體動物體內(nèi)肌袋包埋及橈骨骨缺損模型修復(fù)，通過異位成骨效果、micro-CT及成骨量與骨密度分析、組織學(xué)考察等指標(biāo)，評價各組支架材料促進骨組織再生以實現(xiàn)骨缺損修復(fù)的效能。研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)載有rhBMP-2的SBA-15/HACC/Zein復(fù)合型支架材料具有良好的體外生物活性、生物相容性、促成骨分化特性及抗菌活性，尤其是負(fù)載有rhBMP-2的Zein-HACC-S20支架具有有效促進骨缺損局部新骨生成、顯著加快