纳米羟基磷灰石仿生骨材料的研究进展

纳米羟基磷灰石仿生骨材料因其与天然骨结构和成分相近,已成为组织工程领域研究的热点之一。介绍了纳米羟基磷灰石的各种制备方法及其复合材料的合成方法,并对纳米羟基磷灰石复合材料的特性进行了说明。通过将纳米羟基磷灰石表面修饰改性后,其复合材料有着广阔的应用前景,可用于修复骨缺损,也可以作为药物载体治疗肿瘤。对近年来纳米羟基磷灰石仿生骨材料的研究进展进行了综述。     

仿生支架材料骨形态发生蛋白7多肽/壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原的制备及其细胞相容性

背景：目前骨组织工程常用的支架材料主要有无机材料、有机高分子材料及天然衍生材料等,上述材料各有优缺点,为了充分发挥各类材料的优势,弥补其不足,目前多采用联合材料制备复合支架。 目的：制备新型仿生支架材料骨形态发生蛋白7多肽/壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原,并观察其对骨髓间充质干细胞增殖、黏附及分化的影响。 方法：制备壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原复合支架材料,扫描电镜观察支架材料表面微观形貌;采用真空吸附法将骨形态发生蛋白7多肽与支架材料复合,高效液相色谱仪检测骨形态发生蛋白7多肽在体外的释放规律;将骨髓间充质干细胞接种到复合骨形态发生蛋白7多肽的仿生支架材料上,以未复合多肽的支架材料作为对照,检测支架材料表面细胞增殖、黏附率、生长形态及碱性磷酸酶活性。 结果与结论：壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原支架材料呈多孔状,孔径10~100 µm;骨形态发生蛋白7多肽可以从支架材料中缓慢释出;在复合多肽的仿生支架材料表面,骨髓间充质干细胞的黏附及向成骨细胞方向分化能力均明显强于对照组(P < 0.05),而增殖能力与对照组差异无显著性意义(P > 0.05)。说明新型仿生支架材料骨形态发生蛋白7多肽/壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原是一种理想的骨组织工程支架材料,具有良好的细胞相容性。     

丝素蛋白/羟基磷灰石支架对成骨诱导脂肪干细胞活性及成骨性能的影响

背景：成骨诱导后的脂肪干细胞与可降解丝素蛋白/羟基磷灰石支架复合,可望研制出一种具有良好生物相容性及成骨性能的新型骨融合材料。 目的：探讨丝素蛋白/羟基磷灰石支架对成骨诱导脂肪干细胞增殖活性及成骨性能的影响。 方法：获取大鼠脂肪干细胞后体外贴壁培养、扩增,将第3代细胞用条件培养液进行成骨方向的定向诱导培养、扩增,然后接种到预湿的丝素蛋白/羟基磷灰石材料上作为实验组,以相同条件下置入盖玻片和脂肪干细胞培养作为对照组。倒置相差显微镜观察细胞在材料中的生长情况,MTT法检测材料对细胞增殖活性的影响,碱性磷酸酶活性测定评价其成骨能力。 结果与结论：成骨诱导后的脂肪干细胞在丝素蛋白/羟基磷灰石材料上能够良好地黏附和增殖。实验组和对照组细胞增殖活性及碱性磷酸酶活性比较,差异无显著性意义(P > 0.05),证实脂肪干细胞活性及成骨性能不受材料影响,说明丝素蛋白/羟基磷灰石复合材料具有良好的细胞相容性。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞;骨髓干细胞;造血干细胞;脂肪干细胞;肿瘤干细胞;胚胎干细胞;脐带脐血干细胞;干细胞诱导;干细胞分化;组织工程     

氧化钇-羟基磷灰石骨修复材料的研究

羟基磷灰石在临床上广泛应用于骨缺损的修复，为提高其骨结合性和阻射性，本研究在合成羟基磷灰石的过程中，将活性高、阻射性强的氧化钇按不同比例加入进行化学合成，得到一种生物。相容性好、阻射性强、价格便宜的生物材料。     

丝素/壳聚糖/纳米羟基磷灰石构建的骨组织工程支架

背景：丝素蛋白、壳聚糖及纳米羟基磷灰石均是天然材料,具有良好的生物活性和理化特性,作为人体组织工程材料已取得了一定的成果,但3种材料在单独应用的研究中还存在一定的缺陷。 目的：制作丝素蛋白/壳聚糖/纳米羟基磷灰石三维支架材料,分析其特性。 方法：将丝素蛋白、壳聚糖、纳米羟基磷灰石分别配制成2%的溶液后,分别按照 1∶1∶0.5,1∶1∶1, 1∶1∶1.5 的体积比混合,采用冷冻干燥与化学交联技术制备成三维复合支架材料。检测三维复合支架的孔隙率、吸水膨胀率及热水溶失率,采用材料力学测验机测试干燥三维复合支架材料的拉伸和压缩弹性模量,采用扫描电镜检测三维复合支架的孔径。 结果与结论：丝素蛋白/壳聚糖/纳米羟基磷灰石三维复合支架在干燥状态下呈白色,无特殊气味,为稳定固态的圆柱体,触之有明显的抗压能力和弹性。随着复合支架材料中纳米羟基磷灰石含量的增高,支架材料的孔隙率、吸水膨胀率、平均孔径呈逐渐减小趋势,热水溶失率及抗压能力表现出相反的趋势,结果显示以1∶1∶1体积比制作的支架更符合骨替代材料要求,其平均孔径为85.67 µm、吸水膨胀率的为(135.65±4.56)%、热水溶失率为(22.84±1.06)%,支架材料内部孔隙均匀,呈现网状结构,孔隙之间交通发达,网状结构本身约10 µm。     

胶原多糖基纳米羟基磷灰石仿生骨支架材料的研制

目的依据仿生原理制备新型的胶原多糖基纳米羟基磷灰石（HA）复合骨支架材料,并与成骨细胞复合培养,检测其细胞相容性。方法以胶原分子与透明质酸钠的交联产物为模板,调制钙磷盐在液相中沉积其上,得到矿化胶原多糖基复合材料;采用液相分离法与少量聚乳酸复合进一步制备成为三维多孔支架,使用成骨细胞（Mc3T3-E1）接种于该支架上培养。用X—ray衍射、扫描电镜、万能材料测试机等对材料进行观察和测试分析;并用倒置相差显微镜、荧光显微镜、扫描电镜、CCK-8细胞计数试剂盒、碱性磷酸酶（ALP）活性测定等观察和分析细胞在支架材料中的生长、分化情况。结果胶原多糖基纳米HA仿生复合材料的晶粒度较低,晶体极为细小,与天然骨中羟基磷灰石的组装结构类似;该复合支架为多孔状,孔隙率约82％,孔径大小为200～650μm;抗压性能好,成骨细胞可在其上贴附、生长和繁殖,并表现出较高的成骨活性。结论所制备的胶原多糖基纳米HA仿生骨支架材料,无论从组分和结构上均与天然松质骨类似,与成骨细胞相容性好,可望成为较理想的骨组织工程支架材料。     

结构仿生羟基磷灰石多孔陶瓷的制备及其性能研究*

目的结合浸渍法和注浆成型工艺制备具有内疏外密天然骨结构仿生羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)多孔陶瓷。方法观察多孔陶瓷的截面形貌,表征其相组成,并测试多孔陶瓷的孔隙率和压缩强度。结果结构仿生HA多孔陶瓷的外层是孔隙率为17%的陶瓷块体,芯部为孔隙率在44%~92%的三维连通多孔陶瓷,内外两部分的结合良好。结论通过浸渍次数可以控制芯部的孔隙率,其压缩强度主要依赖于外层的厚度,当外层厚度为4mm,芯部孔隙率为44%时,压缩强度可达40.3MPa;其生物降解性适中,14天时Ca2+的溶出速率开始减缓。     

多孔梯度结构羟基磷灰石仿骨材料的制备和微观形貌观测

通过仿骨材料的结构设计，采用羟基磷灰石粉末为原料，添加一定量的生物玻璃粘结剂和柠檬酸造孔剂，模压成型，1050℃烧结，获得了羟基磷灰石仿骨材料。微观形貌观察表明：材料外层较致密，含有微孔；内层多孔疏松，含有少量微孔和大量孔径为300μm～500μm的球形气孔，孔隙间相互贯通。材料的孔隙大小和分布呈梯度变化，与天然骨的结构基本一致。     

可注射壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原复合材料的生物相容性实验研究

目的　评价可注射壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原复合材料的组织相容性,以及探讨材料负载骨髓基质干细胞进行骨修复的可行性。 方法　壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原材料与BrdU标记的rBMSc混合,注射入大鼠皮下,于皮下植入后24 h,14 d和28 d分别断颈处死大鼠,进行大体观察、HE、MASSON染色、免疫组化染色。 结果　壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原材料在室温呈液态,经1 ml注射器26号针头注射入大鼠皮下后,材料在体内可以迅速原位成形成凝胶状态,并在原位保持形状,BrdU标记的rBMSc弥散于材料中,28 d的免疫组化结果显示细胞存活良好。 结论　壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原复合材料具有良好的组织相容性,是一种良好的负载干细胞的骨组织工程支架。     

丝素蛋白/Ⅱ型胶原/羟基磷灰石三相复合体支架的生物相容性

背景:为了同时修复软骨、软骨钙化层和骨组织,需要设计一种多相支架,加入模仿天然骨软骨组织软骨钙化层的中间层.三相支架的3层结构可以同时重建软骨、钙化软骨和软骨下骨,实现骨软骨修复的一体化.目的:构建丝素蛋白/Ⅱ型胶原/羟基磷灰石三相复合体,研究其理化性质和生物相容性.方法:通过不均匀沉降技术,采用低温3D打印构建丝素蛋...     

仿骨小梁力学性能的多孔结构拓扑优化设计

目的基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义。方法基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计。根据骨功能原理提出分区、分块重建原则,利用Micro-CT图像重建动物骨小梁模型结构;根据代表体元法对模型施加边界约束和外载荷,以求解的力学性能作为优化的目标函数,利用拓扑优化中的变密度法和均匀化方法进行多孔结构设计及优化。结果骨小梁结构具有各向异性的力学特点。求解发现,松质骨的体积分数在同一截面的边缘到中间主压力位置呈现递增趋势;泊松比无明显变化规律,均匀分布在0. 17～0. 30之间;而弹性模量和剪切模量在松质骨主压力位置明显大于其他位置;基于上述结果进行拓扑优化设计,结果显示,优化后模型的泊松比分布在0. 17～0. 30,弹性模量误差在14%以下,最小的仅为3%,剪切模量误差范围在8%以下,基本符合最初的设计目标。结论利用拓扑优化方法设计的多孔结构具有与动物松质骨相同的各向异性特点,同时减少应力集中现象,可以实现特定性能的多孔结构设计,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种合理有效的方法。     

材料和孔隙率对可降解支架内骨形成的影响

目的 研究可降解支架植入人体后的骨修复,不同材料和孔隙率对支架内骨形成的影响.方法 根据骨折愈合自然反应机理,运用有限元方法,结合支架几何结构,搭建以材料降解曲线和骨重建控制方程为基础的计算耦合模型.通过这一平台,选择5种材料、4种孔隙率的支架代表性体积元进行计算模拟分析,并通过骨密度和支架最大应力反映这一动态过程.结...     

无细胞骨胶原基质的理化性能和组织相容性研究

制备了一种无细胞骨胶原基质(Acellular bone collagen matrix,ABCM)和ABCM-PDLLA复合材料。对材料的各种理化性能进行测试,并通过酶联免疫吸附(Enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)和兔桡骨骨干缺损修复实验评价材料的组织相容性。结果表明材料中主要的骨矿成分和有机成分分别是碳酸盐羟基磷灰石和胶原,脂肪和细胞成分被完全脱除;ABCM材料具有较好的力学强度和微孔结构,加入PDLLA有助于提高材料的力学性能;ELISA检测显示材料引起的免疫反应持续时间较短,加入PDLLA可降低免疫反应。体内移植实验表明材料主要以传导成骨方式实现骨的修复和替代。总之,两种材料均具有较好的组织相容性,ABCM-PDLLA具有更好的力学性能和较低的免疫原性,更适合用作骨移植材料或骨组织工程支架材料。     

基于3D打印羟基磷灰石支架的填充结构与力学性能研究

3D打印骨组织工程支架是近来的研究热点,而制备同时具有高孔隙率和足够力学性能的骨组织工程支架是研究的难点之一。在孔隙率相同条件下,探究不同填充角度结构对3D打印支架力学性能影响。首先用SolidWorks软件设计孔隙率相同的3种不同填充角度(45°、60°、90°)支架结构,以交点处结构作为支架的最小支撑单元,并用ABAQUS软件对其进行力学性能仿真,对仿真所得单元结构压缩模量进行累加,探究填充角度对支架力学性能的影响;进而通过3D打印制备3种填充结构的羟基磷灰石支架,测试支架的孔隙率和力学性能,对仿真结果进行验证。结果表明,仿真所得3种填充结构的压缩模量比为E_s(90°)∶E_s(60°)∶E_s(45°)=12.3∶10.9∶10.0。打印得到3种不同填充角度(90°,60°,45°)的羟基磷灰石支架孔隙率无显著性差异,其压缩模量比为E_s(90°)∶E_s(60°)∶E_s(45°)=15.4∶13.1∶10.0,与仿真结果趋势一致,90°填充的支架具有最高的抗压强度((7.36±0.63) MPa)和压缩模量((33.55 ± 2.49) MPa),与力学性能最低的45°填充支架相比,抗压强提高74.8%,压缩模量提高55.18%。在孔隙率相同的条件下,单个孔型面积越小,其压缩模量和抗压强度越高。该研究为制备最优填充结构的3D打印生物支架提供分析方法和理论依据。     

基于3D打印多孔支架和植入体的结构设计研究进展

支架或植入体的弹性模量过高会产生应力遮挡效应,引发骨吸收以及后期支架或植入体松动等问题。多孔支架和植入体可以根据需要调整其孔隙率和弹性模量,从而减小应力遮挡,同时多孔结构有利于骨组织的长入,利于骨整合。分别介绍3D打印多孔支架和植入体3种基本结构(均匀多孔结构、类骨小梁结构和功能梯度结构)的设计方法,以及基于计算机辅助设计、隐式曲面、图像、拓扑优化的设计方法,为解决应力遮挡问题和设计3D打印多孔支架和植入体提供参考建议。     

模压挤出条件对聚(D,L-乳酸)及其复合材料力学性能的影响

在辛酸亚锡的催化下由丙交酯开环聚合制备了聚（D，L）-乳酸（PDLLA），并用二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）作为扩链剂分别合成了MDI扩链聚（D，L）-乳酸（PDLLA/MDI）和MDI扩链聚（D，L）-乳酸/羟基磷灰石（PDLLA/HA/MDI）复合材料，采用自行设计的模压挤出设备着重研究了成型加工条件对这两类可生物降解材料力学性能的影响，实验结果表明，在最佳条件下PDLLA和PDLLA/MDI的弯曲强度分别为35.1MPa和51.3MPa，弯曲模量分别为2413.6MPa和1830.9MPa,PDLLA/HA和PDLLA/HA/MDI复合材料的弯曲强度分别为31.2MPa和55.4MPa。弯曲模量分别为1735.0MPa和2068.5MPa，可见，MDI扩链可显著提高PDLLA和PDLLA/HA复合材料的力学性能。     

聚乳酸/钙磷盐/胶原骨组织工程支架混杂结构的研究

首先采用碱式反应法和共混法获得两种胶原 /钙磷盐复合材料 ,然后通过真空吸附法在聚乳酸 /磷酸三钙的骨组织工程支架表面沉积胶原 ,又通过碱式反应法沉积钙磷盐 ,从而获得了具有混杂结构的支架。对材料形态的观察表明 ,胶原贴附在孔隙中 ,钙磷盐沉积在胶原上。通过细胞试验证明支架具有较好的生物相容性     

针对3D打印材料孔洞应力集中计算的映射算法

目的利用映射算法以较小计算成本获得3D打印材料孔洞应力集中分布情况,为3D打印材料疲劳寿命预测及结构优化设计的有限元分析提供新方法。方法提取单个孔洞应力集中影响范围内的节点及应力,并计算出各节点的应力集中系数。以寻找最近点的方式将无孔洞模型相应节点的应力值乘以不同的应力集中系数来体现孔洞的应力集中。若多节点映射到同一节点,则乘以多个应力集中系数的平均值;对距离边界较近的点,则乘以边界影响系数。结果材料内部孔洞的映射结果与实际计算结果误差小于8%;而对于自由边界孔洞聚集的情况,误差小于15%。结论映射算法能够有效表征3D打印材料孔洞的应力集中,以较小的成本获得含孔洞缺陷模型的应力分布。该算法为临床植入体优化设计及疲劳分析提供有限元结果。     

基于有限元法的骨组织工程支架力学性能分析及改进设计

目的分析不同孔隙结构和孔隙率骨组织工程支架的力学性能,并对支架的孔隙结构进行改进设计使其性能提高。方法利用SolidWorks软件进行方形孔、球形孔和圆柱形孔3种结构55%～75%孔隙率的支架建模,计算得到各结构的表面积体积比;利用ANSYS Workbench软件进行结构受力的有限元计算,得到支架结构的应力分布和等效压缩模量;根据应力分布的特点,将方形孔的支架结构改进为长方形孔隙结构和长方体单元结构两种支架。结果随着孔隙率的增加,3种结构的表面积体积比均增大,对于相同的孔隙率,方形孔和球形孔的表面积体积比较大,圆柱形孔最小;3种结构的最大压应力总体趋势是随着孔隙率的增加而增大,对于同一孔隙率的3种结构,方形孔的最大压应力最小;3种结构的模量和孔隙率近似呈线性关系,方形孔和圆柱形孔的模量值相近;60%孔隙率的方形孔及两种改进结构应力分析表明,两种改进结构的平行于应力方向的4条棱侧壁应力可减小约15%。结论方形孔的表面积体积比和力学性能比相同孔隙率的球形孔和圆柱形孔结构要更有优势,而改进的两种结构又可以提高方形孔的力学性能,两种改进的孔隙丰富了组织工程支架的结构,研究结果为两种支架的临床应用提供力学依据。     

3D打印成型纳米羟基磷灰石/壳聚糖/聚己内酯三元复合支架材料的构建及表征

文题释义： 组织工程骨：将体外培养的功能相关的种子细胞种植于天然的或人工合成的支架材料内,加入生长因子体外培养一段时间,将他们移植到体内,促进组织修复和骨再生的人工骨。组织工程骨形成的3要素为：支架材料、成骨细胞、生长因子。 生物陶瓷：生物表面活性陶瓷通常含有羟基,还可做成多孔性,生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合;生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收,在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷具有骨传导性,它作为一个支架,成骨在其表面进行;还可作为多种物质的外壳或填充骨缺损。生物陶瓷有羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷等。  背景：目前常用的骨缺损修复支架材料种类较多,但单一类型材料难以满足骨组织工程支架材料的要求,通过合适的方法将几种单一材料组合形成复合型材料,综合考虑各种材料优缺点,是近年来学者们的研究重点。 目的：构建纳米羟基磷灰石/壳聚糖/聚己内酯三元复合支架材料,并作表征分析研究。 方法：采用3D打印成型技术制备纳米羟基磷灰石/壳聚糖/聚己内酯多孔三元复合支架材料,从X射线衍射分析、吸水率、抗压强度、体外降解性能、孔径分析、扫描电镜分析等多个维度对支架材料进行表征研究。 结果与结论：①X射线衍射分析显示,纳米羟基磷灰石/壳聚糖/聚己内酯多孔三元复合支架的晶型峰图与羟基磷灰石粉末衍射标准卡片类似,表明该三元复合支架是通过物理作用相互结合的,不影响羟基磷灰石的生物学功能;②三元复合支架的吸水率为18.28%,亲水性好,支架可承受的最大压力为1 415 N,其体外降解速率与成骨速率相当;③显微镜下可见三元复合支架的内孔为方形,孔径250 µm,孔径大小均匀、分布有致;④扫描电镜下三元复合支架可见,壳聚糖和聚己内酯组成的纤维排列整齐有序,成网格状, 羟基磷灰石呈颗粒状在纤维表面均匀分布,三元复合材料呈现均匀、疏松的微孔结构;⑤结果表明,通过3D打印成型技术可成功制备纳米羟基磷灰石/壳聚糖/聚己内酯三元复合支架材料,其具有适度的抗压强度、一定的孔隙率、适宜的降解速度和吸水率,能为修复骨缺损的奠定基础。 ORCID: 0000-0002-6321-9160(余和东) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程