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)的骨缺損修復治療模式,同時也對支架的制備提出了更高的要求。然而,在當前的骨組織工程陶瓷支架研究中,存在著強度較低、影響支架性能的微細結構的制備不可控,以及燒結與性能之間的矛盾等問題,極大地限制了支架的臨床應用。支架作為骨組織工程的關鍵要素之一,其三維精細結構的成形嚴重依賴于制備技術。隨著自由成形技術的發(fā)展,以擠出沉積成形技術為代表的直寫技術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

2、,結合微波快速燒結技術,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構、力學和生物學等方面的要求,本文以多孔磷酸鈣支架為研究對象,建立基于電機助推擠出沉積成形技術與微波快速燒結技術相結合的陶瓷支架可控制備工藝體系。通過材料學測試與生物學評價,結合計算機模擬及理論分析,探討支架微觀結構、燒結工藝等與力學性能、降解性、生物學性能的關系,總結并提出材料微觀結構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)定分散機理。結果表明,在PH=9,分散劑PAA-NH4含量為1％(與粉體質量相比)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)展了基于電機助推式擠出沉積成形技術與微波快速燒結工藝相結合的支架可控

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

5、0%的支架平均抗壓強度為45.57MPa,遠遠大于常規(guī)燒結工藝所得的支架的強度。
　　有限元分析與實驗研究結果表明,支架結構特征通過影響支架內應力的大小與分布,從而影響支架的承載能力。結構特征對支架力學性能影響的權重關系為:孔隙率>孔洞大小>孔洞形狀。對于孔洞結構均勻的HA支架,抗壓強度與孔隙率的關系為:.3-4.825pln432lnσ=。為進一步提高支架強度,設計并可控制備了帶有“微加強筋”的多孔支架,平均抗壓強度為84.2M

6、Pa(孔隙率約50%),其強度與相同孔隙率條件下未設置加強筋的支架相比提高了約80%,與皮質骨的強度相當。同時,該結構支架在降解過程中保持了良好的力學穩(wěn)定性,能夠為細胞的分化與組織的生長提供更長時間的強度支持。解理是多孔陶瓷支架的主要斷裂機理,在拉應力的作用下支架將從擠出絲的搭接處發(fā)生斷裂。
　　體外模擬降解實驗與細胞-支架的聯(lián)合培養(yǎng)實驗表明,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,細胞能夠迅速而緊密地在支架的表面與側壁形成生物學黏附,并能夠進入支架的內部,實現(xiàn)細胞的貼附與生長。微波燒結支架因燒結時間短,升溫速率快,晶粒結構細小,其降解速率快于常規(guī)燒結支架,有利于成骨細胞的黏附、生長和增殖。
　　本文研究表明,以擠出沉積成形技術為代表的直寫技術結合微波燒結工藝能夠實現(xiàn)植入支架的個性化制造,并能同時提高支架的力學性能與生物學性能,為解決磷酸鈣陶瓷支架臨床應用瓶頸提供了依據(jù),豐富和發(fā)展了生物