微納米生物材料目前已成為生物醫(yī)用材料領(lǐng)域一個研究熱點和難點。大量的研究表明具有微納米結(jié)構(gòu)特征的生物材料表現(xiàn)出了積極的生物學(xué)響應(yīng),相對其他生物材料,微納米材料可以顯著促進細(xì)胞的粘附、增殖和分化。生物玻璃(BG)與天然的骨及牙齒有著相似的組成,具有較高的生物活性、生物相容性,是一類重要的骨修復(fù)材料。然而,目前臨床應(yīng)用的生物玻璃是通過高溫熔融法制備,由于高溫?fù)]發(fā)和坩堝材料等原因易導(dǎo)致生物玻璃組成波動和有害雜質(zhì)摻雜以及組成不均一等問題,使玻璃結(jié)構(gòu)和性能難以控制。此外,材料的降解性能較差。

近年來,通過溶膠-凝膠技術(shù)制備的生物玻璃由于其制備條件溫和,材料組成和結(jié)構(gòu)可以進行設(shè)計,比表面積高,具有納米孔隙結(jié)構(gòu),生物活性高,降解性能可調(diào)控,使其具有很高的研究及應(yīng)用價值,可望成為第三代生物材料的重要種類。溶膠-凝膠生物玻璃最大的問題在于顆粒難以分散,其微納米結(jié)構(gòu)、形態(tài)、顆粒尺寸大小難以控制,以至于材料的微納米效應(yīng)難以發(fā)揮;本論文采用溶膠-凝膠方法結(jié)合有機模板合成技術(shù)以及膠體化學(xué)原理,首次設(shè)計制備了具有可控微納米表面、可調(diào)微納米顆粒形態(tài)及尺寸大小的新型溶膠-凝膠生物活性玻璃,并研究了生物玻璃微納米結(jié)構(gòu)的形成機理、物理化學(xué)性質(zhì)、離子釋放動力學(xué)行為以及羥基磷灰石礦化活性,詳細(xì)研究了材料微納米表面、微納米形態(tài)、微納米尺寸對骨髓基質(zhì)干細(xì)胞粘附、增殖、分化行為的影響。

主要研究工作和結(jié)論如下: 

(1)溶膠-凝膠生物玻璃微納米表面控制及性能研究 采用溶膠-凝膠工藝,利用有機酸分子結(jié)構(gòu)中的羥基、羧基與生物玻璃溶膠膠體顆粒表面羥基發(fā)生的氫鍵相互作用為機理,成功構(gòu)建了溶膠-凝膠生物玻璃顆粒的微納米表面結(jié)構(gòu);調(diào)節(jié)工藝參數(shù)如有機酸濃度和類型精確控制了材料表面性質(zhì)如比表面積(80-200 m2/g)、孔隙體積(0.1-0.5 cc/g)、介孔直徑(2-60 nm);微納米表面生物玻璃離子釋放行為符合一級動力學(xué)釋放模型,表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化調(diào)控了材料的離子釋放速率和降解性,離子釋放對環(huán)境的pH值影響不大(7.25-7.55);控制離子釋放速率可以有效調(diào)控材料的羥基磷灰石(HA)形成活性,微納米表面結(jié)構(gòu)和快的離子釋放速率有著高的HA形成能力;培養(yǎng)形式對材料細(xì)胞響應(yīng)能力有影響,對于懸浮顆粒培養(yǎng)的方式,較低的比表面積及較慢的離子釋放速率具有較高的促進細(xì)胞粘附和增殖的能力;細(xì)胞在顆粒表面培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)具有微納米表面結(jié)構(gòu)和高比表面積有助于細(xì)胞的增殖和分化。

 (2)溶膠-凝膠生物玻璃顆粒的微納米形態(tài)控制及性能研究. 以溶膠-凝膠技術(shù)為基礎(chǔ),采用表面活性劑-分子模板(聚乙二醇PEG)反應(yīng)機制,詳細(xì)調(diào)節(jié)工藝參數(shù),可以精確控制溶膠-凝膠生物玻璃顆粒的形態(tài);以PEG為模板劑可以制備出規(guī)則球形的生物活性玻璃(SBG);通過酸性催化劑的選擇可以控制SBG的形態(tài);調(diào)整模板劑的濃度可以誘導(dǎo)棒狀顆粒的形成(RBG);通過調(diào)整模板劑和生物玻璃溶膠的加入順序,可以誘導(dǎo)空心結(jié)構(gòu)的微球顆粒形成(HSBG);通過煅燒HSBG可以制備多孔的生物玻璃顆粒(PBG);SBG的離子釋放行為在起初的24h內(nèi)嚴(yán)格符合固體溶解一級動力學(xué)模型,離子釋放速率小于無規(guī)則形態(tài)生物玻璃(IBG),呈現(xiàn)更穩(wěn)定均一的釋放行為;穩(wěn)定而均一的離子釋放行為使得SBG的HA形成速度慢于IBG,但形成的HA顆粒規(guī)則,結(jié)晶性弱于IBG,HA晶體沿著(002)晶面生長;細(xì)胞相容性研究表明,與IBG相比,規(guī)則的形態(tài)和穩(wěn)定的離子釋放速率可以促進細(xì)胞的粘附和增殖。 在溶膠-凝膠模板技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合熱致相分離技術(shù)和水熱工藝可以制備出三維(3D)多孔貫穿的微納米修復(fù)體(3DPBG),3DPBG具有多級孔徑分布(10nm-10μm),納米級孔壁,通過詳細(xì)工藝參數(shù)可以調(diào)節(jié)孔壁的尺寸,孔徑,孔的形態(tài)以及修復(fù)體的抗壓強度;多級貫穿的孔徑分布增加了材料的反應(yīng)面積,大大提高了修復(fù)體的HA形成能力和細(xì)胞相容性。 

(3)溶膠-凝膠生物活性玻璃的微納米尺寸控制以及性能研究 通過酸催化溶膠-凝膠技術(shù)結(jié)合生物分子模板技術(shù)和酸催化溶膠堿性沉淀技術(shù)成功控制了BG的微納米尺寸分布,制備了分散性良好的微納米生物活性玻璃粉體等新型生物活性玻璃材料;酸催化溶膠-凝膠模板法可以控制BG顆粒直徑在70 nm-5μm之間變化;酸催化溶膠堿性沉淀法可以制備出直徑在40-350nm的納米生物玻璃顆粒;通過加入分散劑聚乙二醇可以進一步控制顆粒直徑在20-100 nm之間,并可誘導(dǎo)顆粒中介孔的形成;酸催化溶膠堿性沉淀法制備的納米顆粒分散性要好于溶膠-凝膠模板法;SBF中的離子釋放動力學(xué)行為研究表明,釋放初期(6h)NBG具有快速的離子釋放速率,符合一級動力學(xué)模型,速率常數(shù)為同期BG的6倍,此后釋放速率小于BG,表現(xiàn)為穩(wěn)定的緩慢釋放;與BG相比,NBG具有快速的HA形成能力,反應(yīng)6 h即有結(jié)晶性良好的致密的HA層覆蓋在NBG表面,NBG表面形成的HA呈針片形態(tài),而BG表面形成的HA則呈短棒狀形態(tài),NBG表面的HA具有更高的結(jié)晶度;與普通BG相比,NBG能更好的誘導(dǎo)細(xì)胞的粘附,促進細(xì)胞短期內(nèi)的增殖,表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性。