硅/锶掺杂羟基磷灰石生物陶瓷的微纳结构调控与性能

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羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2, HAp]是人体骨骼、牙齿的主要无机成分。人工合成的HAp材料由于与骨骼、牙齿的无机成分相似，因而具有良好的生物相容性和生物活性，并在临床骨修复领域得到广泛应用。然而，传统高温烧结制备得到的HAp生物陶瓷材料尚存在明显的缺点，如缺乏诱导成骨活性、降解性能差等。有研究发现，材料表面微纳米结构可以提高材料的诱导成骨性能，此外，研究还表明：功能性微量元素的掺杂是提高HAp生物陶瓷材料的成骨活性、并改善材料降解性能的另一重要途径。大量的研究表明：硅（Si）、锶（Sr）元素在改善骨修复材料的生物学性能方面起到重要的作用。如Si元素对骨的形成、软骨及连接组织的生长有重要作用，能够促进成骨细胞的增殖和分化；而Sr元素则具有促进新骨形成、并抑制骨吸收的双重功能。同时，研究还表明元素的掺杂将导致晶格畸变，使材料的稳定性降低，进而改善HAp生物陶瓷材料的降解性。此外，纳米颗粒可用作药物载体、基因转染等，纳米线可以用作力学增强体，三维结构可用作细胞、药物的载体及促进组织修复。因此，微纳结构及元素掺杂的HAp生物陶瓷材料对其生物学性能的提高有重要意义，是当前骨修复生物材料的研究热点和前沿。目前，在HAp生物陶瓷材料的微纳结构制备、元素组成调控及性能研究方面已经取得了一系列的进展。而将功能性微量元素的掺杂和表面微纳米结构的设计相结合，则有望综合材料的化学组成和表面微纳米结构双效应，进而制备出生物学性能优异的HAp骨修复陶瓷材料。迄今，在HAp微纳结构和功能元素的同步可控制备及性能方面的研究还鲜有报道。本论文开展了微纳结构Si/Sr掺杂HAp生物陶瓷的制备及性能研究。 首先采用前驱体水热转化技术实现了单分散且降解性可调控的Si掺杂HAp（Si-HAp）纳米颗粒的制备，并研究了其体外降解性。研究表明：水热产物Si-HAp纳米颗粒的结晶度随着水热温度的升高而提高，而降解速率则随着温度的升高及Si掺杂量的降低而降低；沉降试验及电镜观察结果显示，制备得到的Si-HAp纳米颗粒具有良好的分散性、并呈现单分散效果。 此外，本论文还采用不同Si含量的硅酸钙（CaSiO3）、硅酸二钙(Ca2SiO4)、硅酸三钙(Ca3SiO5)等硅酸钙陶瓷粉体为前驱体，通过与磷酸三钠（Na3PO4）水溶液进行水热转化反应实现了Si含量可调控的Si-HAp纳米线的制备。结果表明，通过调控前驱体中Si的含量，可以有效调控Si-HAp纳米线产物中Si的掺杂浓度，进而调控材料的生物学性能。成骨细胞增殖实验结果表明：CaSiO3和Ca2SiO4的水热转化产物具有明显的促进成骨细胞增殖作用。 论文的第二部分，以不同Sr含量的掺锶硅酸钙（Sr-CaSiO3）陶瓷粉体为前驱体，采用水热转化技术，实现了Si/Sr共掺杂HAp（Si/Sr-HAp）纳米线的制备，实现了产物中Si/Sr的掺杂浓度的有效调控。研究还表明：Si/Sr元素掺杂导致产物结晶度降低，晶格常数随着元素掺杂含量的增加而增大，水热产物的降解性随着元素掺杂含量的增加而增大。开展了Si/Sr元素掺杂对成骨细胞增殖、相关成骨因子及成血管因子的作用。细胞实验结果证实了一定浓度的Si和Sr元素的共掺杂协同促进了成骨细胞的增殖、相关成骨因子及成血管因子的高表达。研究结果表明Si/Sr的共掺杂可能具有良好的促成骨/成血管特性，在骨修复领域有重要的应用前景。 本论文的第三部分开展了纳米结构Sr掺杂HAp（Sr-HAp）颗粒状骨填充材料的制备与性能研究。以300-450μm的α-磷酸三钙[α-Ca3(PO4)2，α-TCP]及含锶-α-TCP（Sr-α-TCP）为前驱体，与Na3PO4水溶液进行水热反应，制备得到纳米线结构的HAp及Sr-HAp的颗粒状骨填充材料。进一步开展了Sr元素掺杂对成骨细胞增殖的作用，以及纳米结构和Sr元素掺杂的协同促骨缺损修复性能的研究。体外细胞实验结果表明Sr元素掺杂促进了成骨细胞的增殖。大鼠胫骨缺损修复实验结果证实微纳结构和Sr元素掺杂具有协同促进成骨的作用。 综上，本论文的研究工作采用前驱体水热转化技术，首先实现了Si元素含量可调控的Si掺杂HAp纳米颗粒及纳米线生物陶瓷材料的制备，成骨细胞增殖结果表明Si元素能促进成骨细胞的增殖。接下来本文又实现了Si/Sr共掺杂HAp纳米线材料的制备，实现了Si/Sr元素掺杂含量的可控制备。体外成骨细胞增殖及成骨、成血管相关因子的表达结果表明：一定浓度的Si/Sr共掺杂能协同促进成骨细胞的增殖，及与成骨和成血管相关基因的高表达。在此基础上研究了纳米线结构的Sr元素掺杂HAp颗粒状骨填充材料的制备，生物学实验结果表明纳米结构和Sr元素掺杂具有协同促进成骨的作用。本文较系统地开展了Si、Sr元素单掺杂及其共掺杂HAp生物陶瓷材料的制备方法研究，实现了形貌和化学成分的同步调控，获得的Si、Sr掺杂纳米结构HAp材料将在药物载体、生物材料力学增强体、生物活性骨修复材料等领域有重要应用前景。