铈掺杂β-磷酸三钙磁性壳聚糖支架的制备及其在骨修复中的应用

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骨作为人体最大的具有生命的坚硬的组织器官,承担着非常重要的生命活动的职责,但由于人口老龄化、各类骨科疾病以及骨创伤等原因,极易引起缺损。因此,寻找更多更好的骨组织替代物一直是生物医用材料领域研究的重点和热点。生物陶瓷中的b-磷酸三钙(b-TCP)因其与自然骨成分的相似,使其天然的具有成骨性能和良好的生物相容性。壳聚糖(CS)作为天然多糖,与磷酸三钙一样被广泛的应用在骨修复材料中。稀土离子Ce3+半径与钙离子半径相似,而电荷相较钙离子更大,对细胞内的钙离子位点更具亲和力,因此可能影响骨细胞的功能和干预骨重建过程。本研究采用三步煅烧法制备b-TCP粉末材料以及掺杂稀土元素铈的磷酸三钙(Ce/b-TCP)粉末;采用水热法制备出四氧化三铁(Fe3O4)粉末。进而采用混合法和冷冻干燥法相结合的方式,分别将b-TCP与CS复合、Ce/b-TCP与CS复合,Ce/b-TCP与Fe3O4、CS复合,制备出磷酸三钙/壳聚糖多孔支架(b-TCP/CS)、铈掺杂磷酸三钙/壳聚糖多孔支架(Ce/b-TCP/CS)以及铈掺杂磷酸三钙/壳聚糖磁性多孔支架(Ce/Fe/b-TCP/CS)。利用XRD、SEM、TEM、FTIR等检测手段对制备出的材料进行形貌、官能团、化学组成、物象结构等分析测定。采用三步煅烧法所制得的b-TCP粉末以不规则的小颗粒的形式团聚在一起,颗粒粒径大小约为24mm。在同样利用三步煅烧法掺杂稀土元素Ce后制备出的粉末仍以不规则的小颗粒的方式存在,粒径大小并未发生明显改变,因其晶胞参数的变化对其小颗粒的形貌产生了一定程度上的变化。采用混合法和冷冻干燥法制备出的b-TCP/CS多孔支架、Ce/b-TCP/CS多孔支架以及Ce/Fe/b-TCP/CS多孔支架均具有立体交互的三维多孔结构,三维多孔结构除了使材料具备一定类似天然骨的机械强度、生物活性和化学结构外,其孔道结构通过新陈代谢进行营养物质的运输、废物的代谢等,磷酸三钙粉末和稀土粉末颗粒被壳聚糖颗粒所形成的薄膜包裹或是附着在壳聚糖上形成薄膜表面。以人脂肪间充质干细胞(hADSCs)和人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)为模型,利用碱性磷酸酶染色、茜素红染色、CCK-8试剂盒、免疫蛋白印记、荧光三标以及Micro-CT等方法对制备出的材料进行体内和体外的生物学实验,以验证其生物相容性以及骨诱导性。hADSCs与hBMSCs细胞培养实验证明,制备出的b-TCP/CS多孔支架、Ce/b-TCP/CS多孔支架以及Ce/Fe/b-TCP/CS多孔支架均具有良好的生物相容性以及骨诱导性,细胞均能在材料上得以铺展、黏附和生长,无明显的毒副反应。而当稀土元素Ce2+的浓度控制在一定范围(010mm)内时,对细胞的增殖分化有促进作用,而当稀土元素Ce2+浓度高达100mm后则会对细胞的生长表现出抑制作用。通过细胞活性和Micro-CT等也发现了选用混合法将Fe3O4掺杂进入支架材料中,对于细胞的生长黏附、对于小鼠颅骨缺损的修复具有一定的促进作用。综上所述,铈掺杂磷酸三钙/壳聚糖三维多孔复合支架材料对于骨缺损修复具有重要的意义和广阔的应用前景。
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