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胶原与生物活性玻璃作用机理及其复合骨修复材料的研究

孟永春

  本论文研究了生物活性玻璃和胶原纤维之间相互作用机理,并在此基础上仿生制备了胶原/生物活性玻璃复合骨修复材料。通过控制制备过程中胶原纤维聚集态的变化,在保持材料的生物相容性的基础上,进一步提高了材料的力学性能及抗降解性能,获得了具有良好细胞学性能和骨修复特性的新型生物医学材料。 研究胶原与生物活性玻璃之间的相互作用对于制备组成、结构和性能仿生的骨修复材料具有重要的意义。本研究发现,在胶原、生物活性玻璃共存的水溶液中,受生物活性玻璃溶出物的影响,胶原会发生明显的构象变化,以适应不同的溶液环境。生物活性玻璃在溶液中释放出的钙离子和硅酸根离子分别与胶原上的羰基和胶原中精氨酸和组氨酸侧基-C=N-基团发生键合作用,同时生物活性玻璃的加入改变了溶液的pH值,因而破坏了溶液中胶原纤维之间的平衡状态,从而会形成一个新的状态。为最大限度的保持复合材料中胶原的生物活性,需要最大限度的保持其原有的结构。研究表明,当制备过程中胶原含量占40%时,制备的复合材料中的胶原最大程度的保有了胶原的三螺旋结构。为制备仿生的胶原/生物活性玻璃复合材料提供理论根据。 基于以上的理论,在调控溶液状态下胶原纤维的聚集态的基础上,仿生制备了胶原/生物活性玻璃复合材料。该材料在成分和结构上均与天然骨相似,通过对其机械性能和降解性能测试,证明其具有良好的抗压性能,最大可达1.5469±0.0995MPa;在37℃,胶原酶作用下,3天后,剩余质量为35%,但是外观形状保持良好,仍有一定的强度。通过对胶原/生物活性玻璃复合材料的体外生物活性和生物相容性的研究,表明复合材料的的体外矿化活性和单纯的生物活性玻璃相似,能在短时间内表面形成一层磷灰石层;再通过MTT检测和扫描电镜观察,复合支架材料与纯胶原材料的细胞增殖行为,无统计学差异,同时细胞在材料表面生长状态良好,黏附于支架表面及孔隙侧壁,说明复合支架材料具有很好的细胞相容性。 通过胶原/生物活性玻璃实验材料与rMSC复合,制备组织工程骨修复支架,在裸鼠异位成骨实验中可以在肌肉组织内异位成骨。在RT-PCR的测试结果中,Ⅰ型胶原的表达(Col1a RNA)、骨形态发生蛋白的表达(BMP-2 RNA)和骨桥蛋白的表达(Sppl RNA)都高于正常骨组织中的含量。大鼠承重骨缺损实验表明,在承重骨缺损达到8mm时,胶原/生物活性玻璃实验材料植入4周后,可在植入材料部位出现小片块状新骨。胶原/生物活性玻璃复合材料无病毒隐患,具有良好的安全性、生物相容性、骨诱导性、骨传导性和生物可降解性,具有一定的应用前景。……   
[关键词]:胶原;生物活性玻璃;骨修复;机械性能;降解
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南理工大学2010年