新型含锶羟基磷灰石晶体纤维的生物材料界面理化特性与生物学评估及机理研究

第三代生物骨植入材料应具有生物活性、适应骨组织的力学性能及可降解特点。生物晶体纤维（whisker）材料具备良好力学增强性能，但以往研制的晶体纤维都不具备生物活性。我们前期成功制备具备力学增强性能及生物活性的含锶羟基磷灰石晶体纤维（Strontium-incorporated hydroxylapatite whisker, SrHA whisker）具备第三代生物骨植入材料特点。动态的生物材料界面是材料植入体内发挥生物活性最关键的因素之一，本课题在大量前期预实验基础上，从生物材料界面切入研究SrHA whisker在降解及沉积双重作用导致的晶体结构、材料界面理化性质、界面pH、力学增强性能改变；体内外实验阐明成骨细胞、破骨细胞、骨组织等与SrHA whisker界面、晶体结构理化性质之间的相互作用，分析探讨SrHA whisker生物学作用的机理；为其潜在运用提供研究基础。

晶体纤维（whisker）是一种形态学上类似纤维状的晶体物质，具有较好的力学特性，以往国外研究所制备的晶体纤维（如TiO2, ZrO2, SiC, Si3N4 及Al2O3等)往往有生物毒性或无生物活性，国内外对晶体纤维的研究较少。本研究制备了微米和纳米掺Sr元素的羟基磷灰石晶体纤维（SrHA whisker）并对其展开了体内外研究。不同百分比Sr掺入羟基磷灰石可造成晶体纤维形态学改变，如20%及40% SrHA whisker电镜下观察形态学改变明显，而在10% Sr掺入量以下则不会发生形态学明显改变。浸泡实验确认Sr微量元素能从SrHA whisker中缓释，且比普通颗粒状SrHA 缓释的Sr元素少。微米级SrHA whisker具备增强磷酸钙骨水泥（CPC）抗压力学作用（5% whisker添加量抗压力最佳, p<0.05），纳米级10% SrHA whisker具备促进成骨细胞增殖及OC、VEGF等mRNA表达增高作用（p<0.05），其中OC与成骨作用相关，而VEGF与成血管相关，而成骨及成血管作用是骨修复中重要的两个因素。. 纳米级SrHA whisker可以在前驱体材料（TCP）表面合成制备并运用，从而使纳米SrHA whisker直接与骨组织接触，所以从界面角度研究纳米SrHA whisker合理且必要，本课题体内动物实验从纳米SrHA whisker与骨组织之间的界面角度展开。SrHA whisker植入大鼠胫骨近段骨缺损模型中，MicroCT结果提示SrHA whisker与松质骨（4周）和皮质骨（8周）能够紧密结合，组织学HE染色进一步证实了纳米SrHA whisker与骨组织紧密结合的现象，从界面上证实SrHA whisker对骨组织无明显毒性及良好的组织相容性。免疫组化（TRAP染色）发现在SrHA whisker与骨组织界面对破骨细胞具有抑制作用，而不含Sr元素的HA whisker及HA则界面上可见破骨细胞TRAP染色阳性，说明SrHA whisker中Sr元素在体内是缓释且起到抑制破骨细胞作用，此结果为各类微量元素的掺入及其他化合物杂杂合晶体纤维提供了依据。HE染色证实4周SrHA whisker具有促进成骨作用（p<0.05）。 根据上述研究结果，SrHA whisker 在骨质疏松性骨修复中具有较好的运用前景