可降解铁-硅酸盐生物活性陶瓷复合材料及其骨修复支架的设计、制备与性能研究

One of the most important issues for bone repair and tissue engineering is how to design the composition of the substrate and large-pore structure of as-formed porous scaffolds in order to achieve sufficient level of the required strength, and by the meanwhile effectively modulate the osteogenic differentiation of stem cells and the in vivo bone formation. Silicate bioactive ceramics possess the ability to induce the osteogenic differentiation of stem cells, while its high brittleness hinder its application as scaffolds. Recently, biodegradable iron has been proposed for orthopedic implants for its inherent strength and ductility, whereas its lack of bioactivity remains a major concern. Based on the characteristics of silicate bioactive ceremics and metallic iron, the main aim of the present project is to develop novel bioactive composites which can serve as a promising substrate material for bone repair and tissue engineering scaffolds. Furthermore, 3D printing method will be used to finely control the complex pattern structure of large pore in scaffolds with the composites as substrate. The effect of silicate bioactive ceramic incorporation and the control over structure on the mechanical strength, degradation, osteogenic differentiation of stem cells and the in vivo bone formation as well as the corresponding mechanism will be further investigated. The significance of this project is that a new class of composite scaffolds a good combination of structure, strength, bioactivity and biodegradability may be developed as a promising bone repair scaffold especially for critical size defects and bear loading site, and furthermore, the conduction of the project will represent an opportunity for other biodegradable metal-based composite scaffolds to be developed.

骨修复和骨组织工程支架研究中的最重要问题之一是如何通过设计材料组成和支架结构，使支架提供足够力学支持的同时还能有效调控干细胞的成骨分化以及体内成骨。硅酸盐生物活性陶瓷能诱导干细胞成骨分化,但由于其脆性较高,支架力学性能不理想。近来，可降解金属铁因其高强度和延展性在骨修复材料研究领域备受关注，但其缺乏生物活性的问题限制了这类材料的发展。本项目的主要目的是结合金属铁和硅酸盐陶瓷的性能特点开发出能用于骨修复及骨组织工程的新型金属铁/硅酸盐生物活性陶瓷复合支架材料，并采用三维打印方法精细调控支架的大孔结构，揭示生物活性陶瓷和结构设计对铁金属及其支架力学强度、降解性、骨髓基质干细胞的成骨分化及体内成骨的影响及其机理。本项目的意义在于发展一种新型的同时具备优良的结构、强度、生物活性和降解性的金属复合材料及其支架体系，并为今后制备新型的可降解的生物活性金属复合骨修复支架提供重要的实践和理论参考。

骨修复和骨组织工程支架研究中的最重要问题之一是如何通过设计材料组成和支架结构，使支架提供足够力学支持的同时还能有效调控干细胞的成骨分化以及体内成骨。硅酸盐生物活性陶瓷能诱导干细胞成骨分化,但由于其脆性较高,支架力学性能不理想。近来，可降解金属铁因其高强度和延展性在骨修复材料研究领域备受关注，但其缺乏生物活性的问题限制了这类材料的发展。本项目的主要目的是结合金属铁和硅酸盐陶瓷的性能特点开发出能用于骨修复及骨组织工程的新型金属铁/硅酸盐生物活性陶瓷复合支架材料，并采用三维打印方法精细调控支架的大孔结构，发展一种新型的同时具备优良的结构、强度、生物活性和降解性的金属复合材料及其支架体系，并为今后制备新型的可降解的生物活性金属复合骨修复支架提供重要的实践和理论参考。.本项目部分重要研究发现包括：.（1）采用粉末冶金技术可以成功制备含有硅酸盐生物活性陶瓷的可降解铁金属基复合材料。体外浸泡模拟体液实验结果显示，相比于单纯的铁金属材料，铁-硅酸钙生物陶瓷复合材料抗压强度和抗弯强度略有降低，但仍高于人体骨；复合材料诱导类骨磷灰石沉积能力和降解速率都明显提高，特别是在硅酸钙生物陶瓷含量为20%-30%的条件下，复合材料显示出对于骨髓间充质干细胞增殖和成骨分化的促进能力。.（2）我们进一步结合3D打印技术，成功制备出具有规则大孔形状的3D打印铁-硅酸钙生物陶瓷复合支架，其中硅酸钙生物陶瓷含量为30%。研究表明，多孔支架力学强度达到人体皮质骨缺损修复是所需要力学支撑的要求，特别是在本研究中，发现了这类新型支架能够产生光热效应和释放活性氧基团，体内和体外实验证实这一性质使这类支架具有一定的肿瘤治疗能力。此外，本研究证实硅酸钙生物陶瓷能够增强复合材料支架的降解性以及主动促进成骨活性，动物体内实验也充分证实复合材料支架在具有良好生物相容性的同时，能够促进体内骨组织的再生。