降解性阶段可调核—壳微球生物陶瓷制备与性能研究

【摘要】某些创伤、骨肿瘤切除等引起骨缺损的修复是临床治疗的难点,而寻找理想的骨再生修复材料已经成为该领域的重点研究方向。随着我国人口老龄化快速发展,中老年人群中骨质疏松和骨坏死等引起的大面积骨损伤再生修复对人工骨再生的生物活性和降解性具有更高的要求,因此研究降解性与骨再生速率需求相匹配的高生物活性人工材料具有极为重要的应用价值。目前人们已广泛研究的生物活性材料主要包括磷酸钙陶瓷、自固化材料以及生物活性玻璃、玻璃陶瓷等。磷灰石陶瓷与骨矿物无机质具有类似组成,但是其脆性高,生物活性不理想,在生理条件下较为稳定,降解缓慢。日本学者Kokubo发现,含磷灰石和硅灰石结晶相的A/W玻璃陶瓷具有优良的力学性能和表面生物活性,但是其弹性模量是人体皮质骨的20倍以上,同时其降解速率也极为缓慢,因而也难以适应广泛的临床应用需求。已有研究证明,β-磷酸三钙(P-Ca3(PO4)2;β-TCP)陶瓷具有良好的生物活性,硅灰石(CaSiO3)陶瓷则具有极为优良的降解性,两者降解性分别慢于和快于骨再生速率,但是由二者经机械混合构建的复合陶瓷多孔材料尚难达到骨再生的最佳效果。鉴于硅灰石和β-磷酸三钙独特的生物活性和降解性特征,本文探索制备一类降解性能阶段性可调的新型复相陶瓷(中空)微球材料,为骨再生效率的诸多材料理化性能因素研究提供条件。本文所涉及复相陶瓷材料的设计原理是将降解性存在显著差异的CaSiO3和β-TCP分别置入微球颗粒材料中的不同壳层,通过微球颗粒紧密堆积形成的多孔网络形成孔道完全贯通的多孔支架,各壳层降解引起孔道网络阶段性扩展,并且各壳层降解伴随释放的离子组合物产生优良生物活性效应,进而有利于成骨细胞迁移、新生血管发生和新骨改建。这种新颖的双组分微结构构造生物陶瓷复合材料设计势必在研究原位骨再生修复效率及临床应用中具有重要意义。本文的主要研究结果如下：1.利用硅灰石(CaSiO3)和β-磷酸三钙(p-TCP)在骨损伤环境中降解速率存在显著性差异的基本性质,以海藻多糖凝胶球为模板,运用层-层包裹方法构建CaSiO3,p-TCP交替包裹的多壳层化中空微球。首先,将海藻酸钠与硅酸钠的混合水溶胶逐滴加入到温和搅拌的硝酸钙水溶液中,形成由水合硅酸钙盐为壳层的海藻多糖基复合微球,然后将该复合微球依次浸入到含β-TCP的海藻酸钠溶液和含CaSiO3的海藻酸钠溶液中,温和搅拌后将微球悬浮液分离,再经真空冷冻干燥和8500C煅烧处理,从而获得以CaSiO3为最内壳层并具有双壳层或三壳层的中空微球。运用同样的方法,可以获得以β-TCP为最内壳层并具有双壳层或三壳层的中空微球。2.为改善微球的力学性能,我们改进微球制备技术,运用同轴针头制备具有核壳结构的复相陶瓷微球。首先,分别配制粘度适宜的含β-TCP超细粉体的海藻酸钠溶液和含CaSiO3超细粉体的海藻酸钠溶液,然后将这两种溶液分别置于两个不同的储料室中,运用适当的推力将混合水溶胶逐滴滴加到持续搅拌的硝酸钙水溶液中,形成核壳复相微球,经过过滤、干燥和煅烧处理,从而获得以CaSiO3为核心、β-TCP为外壳或者以β-TCP为核心、CaSiO3为外壳的核-壳陶瓷微球。综上所述,本文运用模板法制备出一类从单壳层到多壳层的核-壳微球,实现降解性差异较大的两种钙-硅基和钙-磷基无机盐材料交替包裹形成两相界面清晰的复相生物陶瓷材料,该材料具有球形形态稳定、各层化学组成可控、不同矿物质层降解速率可调等特点,从而实现复相生物陶瓷各组分的优势性能与骨再生过程所需的材料多孔网络拓展演化效率、生物活性离子释放剂量控制等的密切契合。本文的复相陶瓷微结构和组成分布设计新思路对构建孔道网络尺度和降解速率阶段可调的高生物活性复合材料具有重要的学术价值,并可望作为药物载体和人工骨材料用于骨损伤再生修复应用。
【作者】杨永祝；
【导师】苟中入；
【作者基本信息】浙江大学，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】降解性可调；多壳层微球；硅灰石；β-磷酸三钙；生物活性陶瓷；

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