三维打印技术构建双相磷酸钙陶瓷支架及其性能研究
本文关键词：三维打印技术构建双相磷酸钙陶瓷支架及其性能研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：目的:由于先天畸形、肿瘤、外伤、感染等造成的骨缺损,是临床较为常见的病症。骨缺损不同程度地影响患者缺损部位的形态和功能,给患者的正常生活带来严重的困扰,甚至威胁患者的生命[1]。目前,临床上用于修复骨缺损的方法主要有:自体骨移植、异体骨移植、人工骨移植等。但是目前这些常用的方法,都有其明显的缺点[2]。组织工程技术的出现为骨组织损伤的修复带来了希望[3]。组织工程实质上是医学与仿生学思想的结合,其主要是通过在体外模拟体内的微环境来控制缺损区组织器官的形成。组织工程三要素为支架、种子细胞和生长信息,而支架作为种子细胞粘附及携带生长信息的基本框架,使得对支架材料的改进和研发成为研究的重点。在骨组织工程中,理想的支架材料应具备以下性能:1、良好的生物相容性;2、生物力学性能优良,且易加工成形;3、降解速率应与新生骨的形成速度相匹配;4、良好的骨诱导性和骨传导性;5、价格适中,来源充足[4]。双相磷酸钙陶瓷(BCP)是一种由羟基磷灰石(HA)和β—磷酸三钙(β—TCP)构成的生物活性材料,因其化学组成与骨组织的无机成分相似,且具有优良的生物学相容性、骨诱导性、骨传导性及降解速率可调控等特点,故在骨组织工程支架、药物缓释载体、种植体表面涂层等研究中得到广泛应用[5]。传统的支架制备方法有相分离法、粒子沥滤法、气体发泡法[6-7]等。然而,传统的制备方法不能准确的控制支架孔隙的大小、形态、整体的孔隙率和孔隙之间良好的连通。而三维打印技术是通过逐层沉积直到整个结构打印完成来精确地控制孔隙结构[8]。通过查阅文献发现,近年来国内应用三维打印技术构建骨组织工程支架的研究较少,为此我们利用该技术制备BCP支架,并研究其表观形貌及生物学相容性,探讨其在骨组织工程中的应用潜力。方法1.利用三维打印技术构建BCP支架(HA/β—TCP质量比为3/7),并利用模具制备BCP压片材料。2.利用原子力显微镜、扫描电子显微镜观察BCP支架表征。3.用重量法来测定BCP支架的孔隙率。4.用万能试验机测试支架的机械性能。5.用CCK-8法测定BCP支架浸提液的毒性,实验分为三组,分别为实验组(BCP支架浸提液)、阳性对照组(0.1%苯酚溶液)及阴性对照组(单纯培养基),体外培养1d、3d、5d后分别检测三组的细胞增殖情况,通过计算相对增殖率得到其对应的细胞毒性等级。6.用CCK-8法来检测细胞增殖。实验分为实验组(BCP支架)、阳性对照组(BCP压片)及阴性对照组(无材料),体外培养1d、3d、5d、7d后分别检测三组的细胞增殖情况。7.利用扫描电子显微镜观察细胞在BCP支架及压片上的粘附情况。8.各实验数据均用均值±标准差表示,采用SPSS 19.0软件进行分析,各组之间的比较采用单因素方差分析,P0.05认为差异有统计学意义(P0.05用*表示)。结果:1.三维打印技术制备的BCP支架均为直径10mm,高3mm的圆柱形支架。压片形状与支架相同。2.原子力显微镜观察显示,支架表面凹凸不平,表面粗糙度为208nm(轮廓算术平均偏差)。扫描电子显微镜镜下观察,支架孔隙为规则正方形,孔径在350-450μm之间,支架表面粗糙不平,并且有较多不规则的微孔,孔径可达到微米级甚至纳米级。3.BCP支架的理论密度为1.48g/cm3,孔隙率约为52%。4.BCP支架的抗压强度约为2.77±0.87 MPa,杨氏模量为72.23±9.54 MPa。5.体外培养1d后,CCK-8结果显示BCP支架浸提液毒性等级为1级,培养3d、5d后,结果显示支架浸提液毒性等级均为0级。6.细胞增殖实验结果显示,体外培养1d后,空白组及压片组的细胞数量明显高于BCP支架组(P0.05)。在第3d时,空白组的细胞数量明显高于BCP支架组(P0.05),而BCP支架组和压片组的细胞数量并无明显差异。体外培养5d后,三组间的细胞数量均无明显差异。而在第7d时,BCP支架组的细胞数量明显高于空白组及压片组(P0.05)。7.扫描电子显微镜观察显示,体外培养24h后,MG-63细胞在BCP支架及压片表面充分伸展平铺,并伸出伪足。结论:该实验利用三维打印技术成功制备了BCP支架(HA/β-TCP质量比为3/7),支架孔隙形态接近正方行,边长约为400μm,总体孔隙率为52%,且孔隙之间连通良好。支架的机械性能非常接近人类松质骨。CCK-8结果显示1d、3d、5d BCP支架浸提液均无明显细胞毒性。支架表面的粗糙形态非常适宜细胞黏附、增殖。相较于平面结构,支架拥有较高的比表面积,即相同体积的片状材料和支架,支架有更大的表面积来供细胞粘附、增殖。综上所述,运用三维打印技术制备的BCP支架有望用于修复非承重区的骨缺损。
【关键词】：组织工程 三维打印技术 双相磷酸钙陶瓷 支架
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.08;TP391.73
【目录】：
- 中文摘要4-7
- Abstract7-13
- 英文缩略词表13-14
- 第一章 引言14-18
- 1.1 研究背景14-15
- 1.2 综述：双相磷酸钙陶瓷化学组成对其材料性能的影响15-18
- 1.2.1 BCP化学组成对其抗压强度的影响15-16
- 1.2.2 BCP化学组成对其降解性能的影响16
- 1.2.3 BCP化学组成对细胞生物学行为的影响16-17
- 1.2.4 BCP化学组成对其骨诱导性的影响17-18
- 第二章 实验18-26
- 2.1 实验材料与仪器18
- 2.2 实验方法18-21
- 2.2.1 三维打印技术构建BCP支架18
- 2.2.2 BCP支架表面形貌观察18-19
- 2.2.3 BCP支架孔隙率测定19
- 2.2.4 BCP支架机械性能测定19
- 2.2.5 BCP支架浸提液制备19
- 2.2.6 细胞培养19
- 2.2.7 细胞毒性实验19-20
- 2.2.8 细胞增殖实验20
- 2.2.9 细胞在BCP支架及压片上的黏附20
- 2.2.10 细统计学分析20-21
- 2.3 结果21-26
- 2.3.1 BCP支架表征21-22
- 2.3.2 BCP支架的机械性能22
- 2.3.3 细胞毒性实验22-23
- 2.3.4 细胞增殖实验23-24
- 2.3.5 细胞在BCP支架及压片上的粘附24-26
- 第三章 讨论26-29
- 第四章 结论29-30
- 参考文献30-34
- 导师简介34-35
- 作者简介35-36
- 致谢36-37
- 附件37
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