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背景及目的
骨缺损是由外伤、感染、骨肿瘤切除或先天性疾病等原因引起的，是当前临床常见的骨科疾病。在修复骨缺损的研究方面，具有适当生物降解速率和引/诱导骨组织生长的支架材料越来越受到人们的关注。不含Si元素的磷酸盐生物玻璃(PBG)在本课题组被成功研制，其玻璃转化温度低于600℃，且降解速率快。碳酸钙(CC)用于骨修复最早是从海洋珊瑚礁中提取得到，本课题组用PBG做为粘结剂和主要成分与CC复合，通过低温快烧，可保持CC稳定不发生分解，成功制备出PBG/CC多孔陶瓷，但研究发现其生物活性高，但降解速率稍快，对成骨不利。β-磷酸三钙(β-TCP)因其良好的生物相容性和骨传导性被广泛应用于临床的骨修复中，但也存在生物降解速率慢的问题。因此，利用上述材料的优点，通过材料设计和优化，期待能获得一种具有合适的机械性能、生物降解速率和良好的生物相容性、骨诱导性的β-TCP/CC/PBG系新型复合多孔生物陶瓷骨修复材料，提高临床骨缺损的疗效和适用范围。
研究方法
本课题组通过两个部分来探讨β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷的理化性能、降解性能、生物相容性以及体外和体内成骨性能的研究。
第一部分：生物降解β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷的制备和初步评价。以β-TCP、CC、PBG为原料，大小两种尺寸的NaCl为造孔剂，采用压制成型法和低温烧结制备出可生物降解的β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷。通过(Scanning Electron Microscope，SEM)、能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)和X射线衍射仪(X-ray Powder diffractometer，XRD)观察其微观形貌、孔径大小和矿物组成等。使用排水法测量陶瓷材料的密度和气孔率，使用万能试验机测量其抗压强度，并通过控制PBG含量、NaCl比例、烧结温度和保温时间来探讨β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷的优化制备工艺。体外降解实验检测多孔陶瓷的失重率和离子释放量，以此来讨论材料的降解性能。最后将MC3T3细胞种植在陶瓷支架上来表征陶瓷材料的生物相容性。
第二部分：β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷体外和体内的成骨研究。选用大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)培养并传代到F6代，种植在多孔陶瓷支架表面。在预定时间时，提取细胞，通过QPCR技术检测成骨相关基因的表达量，再通过WB技术检测成骨相关蛋白的表达量。将多孔陶瓷支架植入新西兰兔的左后腿膝关节处，在4W和8W时解剖兔子，提取膝关节样本。制作切片，通过HE染色来观测陶瓷支架植入部位的组织学变化。使用X光放射成像仪对样本进行曝光，比较各组膝关节缺损部位的修复效果。使用Micro-CT仪对样本进行扫描，计算体积分数(BV/TV)和骨小梁数量(TbN)；并进行3D重构，得到样品的重构图像和截面图，观察缺损部位的愈合、陶瓷材料的降解以及新生骨组织的生长情况。
结果
β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷烧结后，陶瓷内部各组分均匀分布，孔隙大小与造孔剂NaCl的尺寸保持一致，具有良好的连通性。在低温烧结过程中，CaCO3保持稳定，没有分解为CaO和CO2。NaCl的含量对复合多孔陶瓷孔隙率、密度和抗压强度的影响最大；PBG含量为60%时，获得最大抗压强度；最佳烧结温度和保温时间分别为600℃和40min。β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷在Tris-HCl溶液中逐渐溶解，相应地释放出Ca2+，Na+，Mg2+，PO43-等四种离子。PBG含量对复合多孔陶瓷降解性能影响最大，且陶瓷前期降解速率比后期稍快。细胞实验显示，细胞在β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷上生长良好，第7d时，OD值与空白组无明显差异，具有良好的生物相容性。
β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷在体外诱导MSCs向骨细胞分化，表达出成骨相关的ColⅠ、Runx2和OPN基因和相应蛋白。H&E切片中观察到大量骨细胞、成骨细胞和破骨细胞。复合多孔陶瓷在体内具有良好生物相容性和骨整合性，术后4W时骨缺损部位的皮质骨已经明显愈合，到第8W时，基本达到完全愈合状态；随着时间的延长，多孔陶瓷支架在体内逐渐降解，新生骨组织由外到内长入材料内部。PBG降解速率快，释放出的无机离子对成骨具有促进作用，β-TCP/CC/PBG可能是因为含有PBG成分，在各项诱骨生长性能上均优于β-TCP。
结论
本课题制备的β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷在力学性能、降解性能、生物相容性以及体外和体内成骨性能等各方面上均具有非常良好的表现，β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷有望成为一种新型的骨修复材料用于临床骨缺损的修复。
骨缺损是由外伤、感染、骨肿瘤切除或先天性疾病等原因引起的，是当前临床常见的骨科疾病。在修复骨缺损的研究方面，具有适当生物降解速率和引/诱导骨组织生长的支架材料越来越受到人们的关注。不含Si元素的磷酸盐生物玻璃(PBG)在本课题组被成功研制，其玻璃转化温度低于600℃，且降解速率快。碳酸钙(CC)用于骨修复最早是从海洋珊瑚礁中提取得到，本课题组用PBG做为粘结剂和主要成分与CC复合，通过低温快烧，可保持CC稳定不发生分解，成功制备出PBG/CC多孔陶瓷，但研究发现其生物活性高，但降解速率稍快，对成骨不利。β-磷酸三钙(β-TCP)因其良好的生物相容性和骨传导性被广泛应用于临床的骨修复中，但也存在生物降解速率慢的问题。因此，利用上述材料的优点，通过材料设计和优化，期待能获得一种具有合适的机械性能、生物降解速率和良好的生物相容性、骨诱导性的β-TCP/CC/PBG系新型复合多孔生物陶瓷骨修复材料，提高临床骨缺损的疗效和适用范围。
研究方法
本课题组通过两个部分来探讨β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷的理化性能、降解性能、生物相容性以及体外和体内成骨性能的研究。
第一部分：生物降解β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷的制备和初步评价。以β-TCP、CC、PBG为原料，大小两种尺寸的NaCl为造孔剂，采用压制成型法和低温烧结制备出可生物降解的β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷。通过(Scanning Electron Microscope，SEM)、能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)和X射线衍射仪(X-ray Powder diffractometer，XRD)观察其微观形貌、孔径大小和矿物组成等。使用排水法测量陶瓷材料的密度和气孔率，使用万能试验机测量其抗压强度，并通过控制PBG含量、NaCl比例、烧结温度和保温时间来探讨β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷的优化制备工艺。体外降解实验检测多孔陶瓷的失重率和离子释放量，以此来讨论材料的降解性能。最后将MC3T3细胞种植在陶瓷支架上来表征陶瓷材料的生物相容性。
第二部分：β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷体外和体内的成骨研究。选用大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)培养并传代到F6代，种植在多孔陶瓷支架表面。在预定时间时，提取细胞，通过QPCR技术检测成骨相关基因的表达量，再通过WB技术检测成骨相关蛋白的表达量。将多孔陶瓷支架植入新西兰兔的左后腿膝关节处，在4W和8W时解剖兔子，提取膝关节样本。制作切片，通过HE染色来观测陶瓷支架植入部位的组织学变化。使用X光放射成像仪对样本进行曝光，比较各组膝关节缺损部位的修复效果。使用Micro-CT仪对样本进行扫描，计算体积分数(BV/TV)和骨小梁数量(TbN)；并进行3D重构，得到样品的重构图像和截面图，观察缺损部位的愈合、陶瓷材料的降解以及新生骨组织的生长情况。
结果
β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷烧结后，陶瓷内部各组分均匀分布，孔隙大小与造孔剂NaCl的尺寸保持一致，具有良好的连通性。在低温烧结过程中，CaCO3保持稳定，没有分解为CaO和CO2。NaCl的含量对复合多孔陶瓷孔隙率、密度和抗压强度的影响最大；PBG含量为60%时，获得最大抗压强度；最佳烧结温度和保温时间分别为600℃和40min。β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷在Tris-HCl溶液中逐渐溶解，相应地释放出Ca2+，Na+，Mg2+，PO43-等四种离子。PBG含量对复合多孔陶瓷降解性能影响最大，且陶瓷前期降解速率比后期稍快。细胞实验显示，细胞在β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷上生长良好，第7d时，OD值与空白组无明显差异，具有良好的生物相容性。
β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷在体外诱导MSCs向骨细胞分化，表达出成骨相关的ColⅠ、Runx2和OPN基因和相应蛋白。H&E切片中观察到大量骨细胞、成骨细胞和破骨细胞。复合多孔陶瓷在体内具有良好生物相容性和骨整合性，术后4W时骨缺损部位的皮质骨已经明显愈合，到第8W时，基本达到完全愈合状态；随着时间的延长，多孔陶瓷支架在体内逐渐降解，新生骨组织由外到内长入材料内部。PBG降解速率快，释放出的无机离子对成骨具有促进作用，β-TCP/CC/PBG可能是因为含有PBG成分，在各项诱骨生长性能上均优于β-TCP。
结论
本课题制备的β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷在力学性能、降解性能、生物相容性以及体外和体内成骨性能等各方面上均具有非常良好的表现，β-TCP/CC/PBG复合多孔陶瓷有望成为一种新型的骨修复材料用于临床骨缺损的修复。