不同钙磷摩尔比/多重孔隙磷酸钙骨水泥的研究

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由于磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)具有良好的生物相容性和骨传导性,室温下可自固化塑型,固化时不放热等优点,已经成功地被应用于临床硬组织修复和替代。但是,大部分磷酸钙骨水泥的固相成分都是难溶的磷酸钙盐并且具有较低的钙磷摩尔比,这将会减缓磷酸钙骨水泥的溶解以及向羟基磷灰石的转变,影响磷酸钙骨水泥的生物相容性和降解速率。其中Biocement D由于其优良的性能被广泛研究,但是它的固相成分均为难溶性钙盐,而且它的钙磷摩尔比只有1.50。另外,传统磷酸钙骨水泥缺少适合细胞生长的微孔和骨组织长入的大孔,生物降解较缓慢,虽有研究制备具有多孔结构的磷酸钙骨水泥。然而,过大的孔径和过快的成孔速率将影响磷酸钙骨水泥植入人体前期的力学性能,因此,本论文的目的通过添加易溶钙盐和可降解的壳聚糖,制备不同钙磷摩尔比的磷酸钙骨水泥,利用易溶钙盐的溶解和壳聚糖的降解在体内不同时间形成不同尺寸的多重孔隙结构的磷酸钙骨水泥。本论文采用磷酸钙骨水泥Biocement D的配方,添加具有一定粒径(20-37.5μm)的可溶性钙盐氯化钙,制备钙磷摩尔比分别为1.60、1.67和1.80的磷酸钙骨水泥。在此基础上,分别在磷酸钙骨水泥(Biocement D)的固相配方中添加不同量的粒径为20-37.5μm的氯化钙颗粒和粒径为150-300 gm的壳聚糖作为成孔剂制备具有多重孔隙结构的磷酸钙骨水泥。测试不同钙磷摩尔比磷酸钙骨水泥和多重孔隙磷酸钙骨水泥的凝结时间,所制备磷酸钙骨水泥进行体外模拟浸泡研究,通过X-射线衍射(XRD)、力学性能实验机和扫描电镜(SEM)等研究磷酸钙骨水泥相成分、抗压强度和断面微观形貌,并且通过细胞实验评价所制备磷酸钙骨水泥的生物学性能。结果表明:在添加氯化钙的磷酸钙骨水泥中,随着钙磷摩尔比的增加,磷酸钙骨水泥的初、终凝时间都有显著性增加,初凝时间在7-10 min,终凝时间在12-14 min,除1.80-CPC外,凝固时间能满足临床应用的需要。体外模拟浸泡3 d和7 d后,添加了氯化钙的磷酸钙骨水泥的抗压强度都有了显著性提高,但是和对照组相比没有显著性差异。加入CaCl2可提供较多的Ca2+,在水化和体外浸泡过程中促进CPC的起始原料向终相HA生成,1.67-CPC和1.80-CPC体外模拟浸泡后,形成类骨弱结晶磷灰石结构的终产物,具有快速降解和优异生物相容性的特点。水化24小时候后,随着钙磷摩尔比的提高,磷酸钙骨水泥的孔隙率有了显著性提高,钙磷摩尔比为1.80的磷酸钙水泥的孔隙率最大,为34.2±0.3%。经过研究发现:添加氯化钙和壳聚糖的CPC的凝结时间显著性减小,四组磷酸钙骨水泥的初凝时间为5-7 min,终凝时间为10-14 min。水化24小时后,多重孔隙磷酸钙骨水泥的抗压强度最大为4.78±0.17 MPa,体外模拟浸泡7天后,抗压强度最大为17.8±0.601 MPa,与对照组磷酸钙骨水泥显著性降低。多重孔隙磷酸钙骨水泥的孔隙率显著性提高,水化24小时后最大为40.5±2.2%,体外模拟浸泡7天后,最大为36.2±0.4%。多重孔隙磷酸钙骨水泥经过体外模拟浸泡之后,形成孔径为数百微米的多孔疏松结构,以及弱结晶类骨磷灰石的终产物。体外细胞培养结果显示,经过7天的细胞培养,钙磷摩尔比为1.60、1.67和1.80三组磷酸钙骨水泥较对照组磷酸钙骨水泥的细胞数量有了显著性提高。增加钙磷摩尔比的CPC实验组细胞的碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)活性显著性提高,说明提高钙磷摩尔比可以提高磷酸钙骨水泥的生物相容性。钙磷摩尔比为1.67和1.80的两组磷酸钙骨水泥的内部清晰地看到成骨细胞沿着孔壁粘附增殖,细胞形态完整,说明较高钙磷摩尔比所产生的多孔疏松结构有利于细胞在磷酸钙骨水泥内部粘附增殖。不同钙磷摩尔比磷酸钙骨水泥和多重孔隙磷酸钙骨水泥的对比细胞实验中,经过7d的细胞培养,钙磷摩尔比为1.60和1.67的多重孔隙磷酸钙骨水泥的细胞数量都有了显著性增加;钙磷摩尔比为1.50和1.67的多重孔隙磷酸钙骨水泥的细胞活性也有了显著性提高。添加氯化钙的磷酸钙骨水泥具有较高的孔隙率和合适的抗压强度,相成分为类骨弱结晶羟基磷灰石,通过细胞实验发现添加了氯化钙的磷酸钙骨水泥具有更加优良的生物学性能。添加了氯化钙和壳聚糖的磷酸钙骨水泥的孔隙率更高并且具有数百微米的孔隙以及类骨弱结晶羟基磷灰石的相成分,通过细胞实验发现,它的生物学性能较添加氯化钙的磷酸钙骨水泥更加优良。
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