焦磷酸盐对β-TCP生物陶瓷材料的力学性能、体外降解性能和宿主组织炎性反应的影响

论文摘要

β-磷酸三钙（β-tricalcium phosphate,β-Ca3（PO4）2,β-TCP）生物陶瓷材料是广泛应用于骨科、口腔医学、整形外科领域的一种骨缺损修复材料。目前已有实验证明β-TCP生物陶瓷材料具有良好的组织相容性和可降解性。前人的研究同时证明,钙磷无机材料成分的Ca/P摩尔比对材料的生物学性能、烧结性能、力学性能、热稳定性和降解性都有重大影响。所以,化学元素配比对合成制造β-TCP生物陶瓷材料有关键性意义。如果合成原料配比中的Ca/P摩尔比比值未合理控制或者低于1.50,在β-TCP粉末的烧结过程中会产生副产品——焦磷酸钙（Ca2P2O7, CPP）。烧结过程中生成的CPP是否会影响β-TCP生物陶瓷的力学性能、体外降解性能和体内组织炎性反应,目前国内外尚未见研究报道。目的:观察焦磷酸钙CPP对β-TCP生物陶瓷材料的烧结性能、力学性能、降解性能和宿主体内炎性反应及组织相容性的影响。方法:（1）采用Ca（NO3）2·4H2O和（NH4）2HPO4为原料煅烧制得β-TCP粉末。再将采用固相反应法以CaHPO4·2H2O为原料制得的CPP按质量百分比0 wt.%、0.5 wt.%、1 wt.%、2 wt.%、2.5 wt.%、5 wt.%、7.5 wt.%、10 wt.%和β-TCP粉末进行配比混合,共8组。将煅烧制得的各组陶瓷样本进行X射线衍射分析确认物相组成,并进行相对密度RD测定。扫描电镜观察材料断面微观结构。全自动力学测试机测量各组陶瓷样本的三点抗弯强度和弹性模量。通过体外三羟甲基氨基甲烷（Tris）-盐酸（HCl）的缓冲溶液浸泡实验评价陶瓷样本的体外降解性。（2）将含0 wt.%、0.5 wt.%、2.5 wt.%、5 wt.%、10 wt.% CPP的β-TCP陶瓷材料和100 wt.% CPP陶瓷材料（共6组）植入大鼠体内,1 w、2 w、4 w后取出,对比观察各组材料表面形成的包囊厚度,对局部软组织、包膜进行HE染色,分类计数炎细胞观察炎症情况,并用扫描电镜观察材料表面的细胞生长情况及材料降解情况。结果:（1）所有样品X射线衍射分析结果证明样品相对衍射强度与β-TCP晶相标准卡片9- 0169完全一致。在1050℃烧结5 h,制得的纯β-TCP陶瓷样本RD= 99.4%。在相同的1050℃,5 h条件下,含有0.5 wt.% CPP的β-TCP陶瓷的RD则迅速下降到96.8%。CPP含量增加到2.5 wt.%,陶瓷样本的RD降为96.5%。CPP含量达到10 wt.%时, RD=89.1%。0 wt.%～10 wt.% CPP的各组β-TCP陶瓷样本力学性能测试表明,陶瓷样本的抗弯强度从130.46 MPa下降到57.88 MPa,弹性模量从46.30 MPa下降到23.98 MPa。随着CPP含量的增加,陶瓷样本力学性能下降,含有10wt.% CPP的β-TCP陶瓷样本的抗弯强度只有纯β-TCP样本的44%。扫描电镜观察可见纯β-TCP生物陶瓷为致密陶瓷体。β-TCP颗粒形状统一,平均大小为1μm。含有CPP的β-TCP陶瓷致密度下降,表面出现直径为0.5～1.2μm的粒间孔隙,同时,β-TCP颗粒大小增大至1.5～2μm。随着CPP含量的增加,陶瓷材料断面的孔隙增多,致密度下降。体外Tris-HCl缓冲溶液浸泡实验中,纯β-TCP陶瓷样本在第一天时的降解率仅有0.05%,第7天时达到1.03%,第14天时达到1.90%。而含有CPP的陶瓷样本降解明显快于纯β-TCP陶瓷样本。第1天时,10 wt.% CPP的β-TCP陶瓷的质量丢失达到0.26%,第14天时达到5.04%。数据表明含10 wt.% CPP的β-TCP陶瓷样本的降解率大约为纯β-TCP陶瓷样本的3倍。（2）体内实验发现各组陶瓷材料植入大鼠体内均引起局部炎症反应,形成包膜包裹,含CPP的β-TCP样本组包膜形成速度较纯β-TCP样本组快。至4 w时,各材料组间包膜厚度的区别无统计学意义,纯β-TCP的样本包膜厚度平均值为0.21 mm,纯CPP样本的包膜为0.24 mm。陶瓷材料表面软组织包膜中炎细胞分类计数结果显示:1 w时,各材料组淋巴细胞和单核细胞计数组间整体无统计学差异（P值分别为0.195和0.374）;中性粒细胞细胞计数010 wt.% CPP各样本组组间区别无统计学意义,均值为2.0～2.5个/高倍视野,100 wt.% CPP组的中性粒细胞计数则明显高于其他各组,均值为9.2个/高倍视野,差别有统计学意义（P <0.05）;嗜酸性粒细胞和浆细胞计数中,0 wt.%CPP组计数均为最低,随着CPP含量增加,嗜酸性粒细胞和浆细胞计数值均上升,2.5 wt.% CPP组嗜酸性粒细胞均值3.0个/高倍视野,浆细胞计数达到2.0个/高倍视野,100wt.% CPP组则为5.0个/高倍视野和6.0个/高倍视野。2 w时,除嗜酸性粒细胞计数（P =0.217）外,其他各类炎症细胞计数均有显著区别（P <0.05）。中性粒细胞计数表明:0 wt.% CPP组计数最低,均值0.67个/高倍视野,0.5 wt.%、2.5 wt.%、5 wt.%、10 wt.% CPP四组之间无明显区别,均值4.0～7.7个/高倍视野,100wt.% CPP组计数最高,均值为10.0个/高倍视野,差异有统计学意义（P <0.05）。各组淋巴细胞计数2 w时均较1 w时明显上升,此时0 wt.% CPP组计数最低,为4.0个/高倍视野,100wt.% CPP组计数最高,均值为14.3个/高倍视野,与其他各组差异明显（P <0.05）。2 w时浆细胞计数中0 wt.%、0.5 wt.% CPP组两组较1w时计数变化无统计学意义,而2.5 wt.%、5 wt.%、10 wt.%、100 wt.% CPP组细胞计数则较1 w时明显下降,此时100 wt.%组计数高于其他各组,均值为2.2个/高倍视野,差别有统计学意义（P <0.05）; 2 w时10 wt.%、100 wt.% CPP组单核细胞细胞计数明显上升,100 wt.% CPP组计数达到9.0个/高倍视野,远高于其他各组（均值2.5～5.0个/高倍视野）,差别有统计学意义（P <0.05）。4 w时,嗜酸性粒细胞计数、淋巴细胞计数、浆细胞各组组间无显著性区别（均值分别为2.25个/高倍视野、4.58个/高倍视野和0.36个/高倍视野）。此时0 5 wt.% CPP各组中性粒细胞计数开始下降,均值为0.2～4.0个/高倍视野,而10 wt.%CPP则轻度升高至10.0个/高倍视野, 100wt.% CPP组中性粒细胞计数显著升高至24.2个/高倍视野。4 w时,100 wt.% CPP组单核细胞计数下降至4.0个/高倍视野,但仍高于0 wt.%～10 wt.%CPP各组（均值1.5～2.2个/高倍视野）,0 wt.%～10 wt.% CPP各组间两两比较无明显区别（P >0.05）。扫描电镜下可见:1 w时,0 wt.% CPP组材料表面被大量细胞均匀覆盖,以成纤维细胞为主,胞体大致呈球形或圆形,细胞表面突起较多,微绒毛样结构丰富,细胞活性好。10 wt.% CPP组表面细胞表面突起、微绒毛样结构较少,活性稍差,胶原纤维数量明显少于前组。100 wt.% CPP组表面亦有许多球形成纤维细胞粘附,但细胞延展度小,几乎未见胶原纤维。2 w时,0 wt.% CPP组表面出现大量丝状胶原纤维显示细胞活性较好。5 wt.% CPP组表面细胞表面几乎无微绒毛状结构,细胞突起也较少、较短。10 wt.% CPP组表面细胞退化、变性明显,纤维胶原少见,生物陶瓷材料有降解。100 wt.% CPP组表面有不甚光滑的丝条状胶原纤维分布,细胞多呈梭形,间隙较大,可见下方的生物陶瓷材料。4 w时,0 wt.% CPP组表面细胞出现变性坏死,活性良好的圆形成纤维细胞少见。5 wt.% CPP组表面细胞普遍坏死,胶原纤维膨胀变性,表面粗糙,绝大多数区域内生物陶瓷材料裸露,材料降解明显。10 wt.% CPP组表面细胞亦退化、坏死明显,残留的细胞基质表面也变得粗糙,胶原纤维呈败絮样变性。100 wt.% CPP组表面零星可见残留的细胞基质和变性胶原纤维,材料降解明显。结论:（1）CPP显著降低了β-TCP生物陶瓷的烧结性能和力学性能,其力学性能与CPP含量呈负相关。同时,含有CPP成分加快了β-TCP陶瓷的体外降解。（2）CPP含量与β-TCP陶瓷植入宿主体内后引起的炎性反应严重程度呈正相关,与β-TCP生物陶瓷材料的组织细胞相容性呈负相关。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• Abstract
• 前言
• 文献回顾
• 文献综述一 β-TCP生物陶瓷制备工艺及应用研究进展
• 文献综述二 磷酸钙生物活性陶瓷的微观结构和理化性能对宿主组织的影响作用
• 正文
• 实验一 焦磷酸盐CPP对β-TCP生物陶瓷力学相关性能、体外降解性能的影响
• 1. 材料与方法
• 2. 结果
• 3. 讨论
• 4. 结论
• 实验二 焦磷酸盐CPP对β-TCP生物陶瓷宿主体内炎性反应及组织相容性的影响作用
• 1. 材料与方法
• 2. 结果
• 3. 讨论
• 4.结论
• 全文小结
• 参考文献
• 个人简历
• 硕士期间学术论文发表情况
• 致谢