骨微量元素掺杂钙磷玻璃陶瓷的结构、力学性能和成骨功能的研究

骨组织的修复或重建所面临的最大挑战在于骨组织的生物力学和生物功能的快速恢复。人工骨材料中的微量元素与自然骨的差异性直接影响着材料的力学性能、降解速率和生物功能。本项目从骨组织的化学组成仿生出发，设计骨修复材料中的微量元素。以高钙/磷比玻璃为材料体系，采用溶胶-凝胶和包覆技术进行骨微量元素的精确掺杂，合成高钙/磷比的玻璃粉末。研究微量元素复合掺杂对玻璃的析晶行为、结构和力学性能的影响，并结合多孔控制技术，制备具有高度结构仿生、较高生物力学性能和降解速度可控的钙磷玻璃陶瓷，探讨微量元素掺杂对钙磷玻璃陶瓷强韧化的作用机理，以及材料在降解过程中微量元素对类骨矿化的调控作用。并进行细胞复合和复合支架的动物实验，系统研究微量元素参与成骨行为的作用机理，明确不同骨微量元素在不同成骨阶段对骨结构和功能重建的交互作用和协同性，为骨修复材料的组成仿生制备提供一条新的思路。

高钙/磷比的玻璃陶瓷作为生物材料，其化学组成和结构与人体骨相似，且可以在体液中逐渐降解，被认为是具应用前景，可作为硬组织修复和药物载体的无机材料。但高钙/磷比玻璃陶瓷的力学性能、降解速率难以满足骨修复材料的要求，其生物活性也有待提高。本项目以高钙/磷比玻璃为材料体系，从骨组织的化学组成仿生出发，设计钙磷玻璃陶瓷中的微量元素；采用溶胶凝胶结合泡沫浸渍技术制备多孔支架。研究了不同微量元素掺杂对玻璃的析晶行为、结构、力学性能和降解性能的影响，探讨了微量元素掺杂对钙磷玻璃陶瓷强韧化的作用机理,以及材料在降解过程中微量元素对类骨矿化的调控作用。.Sr、Zn离子掺杂能够抑制高钙/磷比玻璃的析晶， Mg离子促进钙磷玻璃析晶。Sr和Mg复合掺杂的多孔玻璃陶瓷支架，当孔隙率为70%左右时，其抗压强度可达8.4MPa。玻璃陶瓷的溶解性能主要取决于玻璃基质的结构和化学稳定性，掺杂骨微量元素Sr, Zn, Mg和Fe的多孔玻璃陶瓷的降解性能均优于具有相同孔隙率的多孔羟基磷灰石陶瓷，且掺杂Sr的多孔钙磷玻璃陶瓷的降解速度明显高于其它掺杂体系。在模拟体液中研究了不同微量元素掺杂对类骨磷灰石形成能力的影响，Sr离子能诱导纳米、高钙/磷比磷灰石在多孔支架表面的快速沉积，而Mg离子对磷灰石的生成具有明显的抑制作用。将骨微量元素掺杂的多孔玻璃陶瓷与三株细胞MC3T3-E1复合培养，系统研究了Sr,Zn,Mg单独掺杂和复合掺杂对细胞黏附、爬行和增殖的影响，明确了不同微量元素释放对成骨功能的交互作用和协同性。.本项目制备的高钙/磷比生物玻璃陶瓷不仅可以作为非承重骨的修复材料，而且可用于生物合金的表面涂层材料。尤其是作为可降解医用镁合金的涂层材料，可以提高耐蚀能力和改善生物活性，使之成为具有重要应用价值的骨修复材料。