新型骨缺损修复材料—硅酸二钙生物活性材料的制备和性能研究

由于创伤、先天性畸形、肿瘤切除和感染等原因造成的人体骨组织缺损是导致伤残的重要原因之一。近年来,国内外学者对人体骨组织修复和替代生物活性材料进行了大量研究。研究表明,不少含钙-硅组元的无机材料具有优良的生物活性和生物相容性,是修复人体骨缺损较为理想的候选材料。但是,以45S5 Bioglass?为代表的生物活性玻璃类材料脆性大,难以加工成块体材料;以A-W Cerabone?为代表的生物活性玻璃陶瓷类材料尽管有较高的力学强度,但是材料的弹性模量达到人体皮质骨的8～10倍,与人体骨组织环境的要求相差较大,难以用于承重部位大块骨缺损的修复,并且这类材料降解性差,材料难以被新骨组织完全修复替代。因此,探索出有优良生物活性、降解性和力学性能的新型生物材料对于组织缺损修复具有重要意义。本文以硅酸二钙（β-和γ-Ca2SiO4）为研究对象,系统地研究了该材料粉体、陶瓷、自固化材料的制备、理化性能、生物活性和细胞相容性,具体研究内容和结果如下。 （1）对文献报道的方法进行合理改进,成功地制备出高纯度的具有不同形态（颗粒和纤维状）的硅酸二钙超细粉体,粉体中游离CaO含量控制在0.22%以下。从硅酸二钙粉体的体外生物活性、降解性和细胞相容性研究发现,硅酸二钙粉体在模拟体液（SBF）中能诱导类骨碳酸羟基磷灰石（CHA）在粉体表面沉积,同时粉体在SBF中能持续降解,初步显示出该粉体具有良好的体外生物活性和降解性。硅酸二钙粉体溶出液加入到成纤维细胞和成骨细胞培养体系,结果显示Ca2SiO4粉体溶出的钙、硅离子在一定浓度范围能显著促进成纤维细胞和成骨细胞增殖,并反映出良好的细胞相容性,初步表明该材料应用于生物医用领域的良好潜力。 （2）采用冷等静压成型β-Ca2SiO4素坯并应用无压烧结技术在1100～1450℃烧结制备出硅酸二钙陶瓷。研究发现,素坯在1300℃以上烧结时发生β相向γ相转变,提高烧结温度能促进陶瓷的致密度,材料的力学强度也显著提高。1450℃下烧结2小时的γ-Ca2SiO4陶瓷致密度达到96%,该陶瓷具有与人体皮质骨近似的抗压强度（200 MPa）、抗弯强度（97 MPa）和弹性模量（40 GPa）,断裂韧性（1.80 MPa·m1/2）也接近人体皮质骨断裂韧性的下限。该陶瓷浸泡在SBF中能诱导类骨CHA沉积,10天内CHA沉积厚度达到6～9μm;这种生物活性陶瓷还支持骨髓间质干细胞（MSCs）贴壁、铺展和生长,表现出优良的生物活性和细胞相容性。 （3）本论文围绕人体骨组织环境对自固化植入材料的基本要求,系统研究了β-Ca2SiO4自固化特性。研究发现,β-Ca2SiO4水化反应由诱导前期、诱导期、加速期、减速期和扩散期5个阶段组成,β-Ca2SiO4糊状物水化时逐渐转变成以钙-硅组元为主的水合硅酸钙（CSH）物质,并析出少量的（<1.5%）游离Ca（OH）2,β-Ca2SiO4水化的最大放热功率为1.78 mW.g-1,糊状物内部温度波动不超过3℃,不存在温度突变等问题。其次,β-Ca2SiO4糊状物的可注射性、凝固时间和力学强度与采用的液固比例密切相关,降低液固比例尽管影响到材料的可注射性,但是有利于缩短凝固时间和降低固化物孔隙率,抗压强度也得到明显改善。液固比为1.0～1.2的β-Ca2SiO4糊状物可注射性较好,固化物的早期（2天）和后期（28天）抗压强度分别达到4.8和28.8MPa。β-Ca2SiO4水化和凝结的机制是在颗粒间原充水空间水化物沿颗粒表面发散生长,形成纳米条状胶凝物质,在相对致密的区域纳米条状水化物则定向排列沿针状物质端部持续生长,相互叠加并形成层状结构,随着时间延长纳米级条状胶凝物质发生固化。此外,在研究制备条件对自固化材料理化性能影响规律的研究中发现,降低β-Ca2SiO4粉体粒度、向调和液中加入适量氯化钙或者向粉体中复合20～35mol%半水石膏均能促进凝结,增进固化物早期抗压性能,提高后期强度。研究还发现浸泡介质也对固化物的力学强度产生影响,含血清的细胞培养液尽管在一定程度上影响到β-Ca2SiO4固化物强度的发展,但是材料的固化性能仍然理想,并没有造成难以凝结固化甚至自动解体现象,采用5.0 MPa预成型的固化物在培养液中浸泡2和28天时平均强度分别达到36.3和53.2 MPa。 （4）研究了β-Ca2SiO4固化物在模拟体液中的溶解性降解性,并发现8周内降解率达到44.3%,材料表面磷酸钙盐自发成核并逐步形成类骨CHA层;与此同时,Ca（OH）2会发生反应并转化为碳酸钙。其次,经水化反应转化成为CSH和Ca（OH）2的复合材料表面同样支持MSCs贴壁和铺展,从材料中溶解释放的钙、硅离子能明显促进成纤维细胞和成骨细胞增殖,证明这种自固化材料具有优良的生物活性和降解性。在糊状物制备中原位复合抗菌性药物庆大霉素在前10天内保持较高浓度快速释放,并且整个过程达到30天,体现出良好的控制释放功能。此外,由β-Ca2SiO4和石膏（35mol%）构成的复合材料,固化物的生物活性和细胞在材料上的黏附性质均不受到影响。 （5）利用β-Ca2SiO4的低温自固化特性,采用石蜡微球模板法制备出β-Ca2SiO4多孔支架材料及β-Ca2SiO4-明胶复合支架。复合多孔支架材料具有孔道尺寸可调、孔道互连互通、孔隙率高（82～85%）等良好性能;支架的抗压强度达到1.31～1.35 MPa。复合多孔支架孔壁能诱导类骨纳米CHA沉积,支架材料本身能逐渐降解,并释放钙、硅离子,3和28天时分别降解16.3%和39.6%,这种多孔支架材料有可能在骨组织工程中得到应用。以上研究结果可见,硅酸二钙材料具有良好的生物活性、降解性和细胞相容性。此外,γ-Ca2SiO4生物活性陶瓷的综合力学性能优于羟基磷灰石陶瓷,而β-Ca2SiO4还具有自固化特性,固化后材料仍具有良好的生物活性、降解性和细胞相容性。硅酸二钙的这些特点使其有望作为骨组织修复替代材料或者骨组织工程细胞载体材料得到应用。