双相磷酸钙陶瓷骨支架孔壁纳米强韧化及掺锶改性机理研究

基于BCP多孔陶瓷骨支架强度、韧性等难以满足骨组织工程要求的现状，融合"孔壁纳米强韧化"与"掺锶改性"的学术思路，集成"原位共沉淀法"、快速成型负模调制、微波烧结等先进技术，构建出孔壁结构纳米化、相对致密化、纤维增韧补强的 "双相掺锶磷酸钙"（Sr-BCP）陶瓷骨支架，重点研究孔隙结构参数、孔壁晶粒尺寸与形貌、孔壁致密度、晶相组成及掺锶量、纳米Sr-HA纤维晶种长径比与含量等对骨支架强度、韧性、降解速率、生物活性等性能的影响，并通过借鉴致密陶瓷的纳米强韧化理论以及掺锶对HA、β-TCP单相陶瓷性能影响机理的揭示，深入阐明纳米双相掺锶磷酸钙陶瓷骨支架孔壁强韧化机理及其骨支架强度与韧性的协同改进机制，为获得"高强韧、可控降解与良好生物活性"纳米双相掺锶磷酸钙陶瓷骨支架提供理论依据，为推动钙磷陶瓷骨组织工程化发展进程奠定基础。

本项目采用LSS水热合成法制备出形貌规则、长/径比高、尺寸易控制、分散性好、掺锶量可控的Sr-HA纳米纤维，此纤维还具有良好柔韧性、生物相容性及可控降解等性能，特别适合作医用材料的增强补韧剂。分别采用“骨水泥水化法-微球萃取法”、“骨水泥水化法-负模调制法-微波烧结法”，获得了孔径与孔隙率可调、相成分可控的纳米级磷酸钙锶骨支架，此类骨支架保持了骨水泥的固有纳米级结构，将在改善生物学性能与提供材料降解速率等方面发挥优势。采用不同尺度的Sr-HA纳米纤维掺入骨支架，发现长约3000nm、直径约10nm、长/径比约300的Sr-HA纳米纤维可使磷酸钙锶骨支架抗压强度提高243.41%，大大高于短粗纤维的增强效果，而且该纳米级纤维掺入骨支架在大幅度提高其强度的同时，未改变骨支架的生物活性、生物相容性及可控降解性。还发现微波烧结、锶离子掺杂对骨支架强度也有较为显著的增强效果。该研究显示，融合骨水泥水化法、纤维掺入、掺锶改性与微波烧结法是实现骨支架纳米强韧化的有效途径。初步生物相容性试验表明，纳米级磷酸锶钙骨支架细胞毒性不明显，MC3T3-E1小鼠成骨细胞在骨支架上保持良好的形态与贴附效果，且随着培养时间的延长，细胞数量不断扩增，锶元素对细胞贴附生长无明显抑制作用，证实了纳米磷酸锶钙骨支架具有良好的生物相容性。作为本基金的拓展性研究，项目组整合稀土元素与磷酸钙骨水泥的优势，首次设计并发明了固化产物为载Eu磷灰石的新型生物活性骨水泥，验证了Eu/(Eu+Ca)比为 5%和10%的载Eu磷灰石骨水泥分别在591nm、615nm处有发射峰，这类新型功能性骨水泥将为以后进一步研究新骨生长、矿化机制及与癌细胞相关作业方面创造了条件。此外，在本基金资助下，我们开展富有成效的国际合作，分别在仿生医用组织胶带、癌细胞捕获与释放装置的构建等方面取得了重要进展。