学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

含锶磷酸钙中空微球的生物模板法仿生合成研究

作　者: 黄淼俊
导　师: 王迎军
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料学
关键词: 生物模板法含锶磷酸钙中空微球仿生生物相容性
分类号: TQ174.6
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 42次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

磷酸钙生物陶瓷材料由于与天然骨的无机质具有化学组分和晶体结构的相似性，表现出良好的生物活性、生物相容性和骨传导性，是研究和开发骨组织再生修复材料的重要研究方向和应用种类之一。但是目前传统制备技术无法实现对产物的形貌、结构和组分的精确控制与仿生制备，所获得的磷酸钙材料与生物磷灰石在组成、结构和性能上仍存在较大的差异，存在力学性能、降解速率等新骨形成不匹配的问题，这极大地限制了其对骨缺损再生修复的应用。而开发高性能的骨组织再生修复材料，需要研究更有效可控的磷酸钙生物陶瓷材料仿生制备技术。本研究采用生物模板法仿生合成技术，创新性地利用酵母细胞作为生物模板，实现对多孔中空微球结构和对微量元素的离子含量与离子富集位置的有效调控，研制出可用于骨组织再生修复的含锶多孔磷酸钙中空微球。该材料的多孔中空微球结构具有密度低、稳定性高、流动性好、表面渗透能力强、可容纳大量客体分子等优点，使负载和释放具有促进新骨形成的功能性分子成为可能。在此基础上，进一步研究低剂量微量元素锶对磷酸钙材料的离子改性，可明显改善材料的生物相容性、骨传导性和生物可降解性，有效促进新骨的形成，提高骨缺损再生修复的效率。通过研究酵母细胞种类、聚电解质浓度、自组装次数、温度、pH值、离子浓度等关键技术参数对产物组分和结构的影响，确定制备磷酸钙中空微球的最优化条件，实现对多孔中空微球结构的精确控制，并探讨了磷酸钙中空微球的仿生合成机理。最终获得的多孔磷酸钙中空微球，主晶相为β-TCP，微球平均粒径约为5.85μm，壁厚约为0.5¹.0μm，并且微球壁上存在大量不规则的多级微纳米孔隙结构（孔径≤500nm）。在生物模板法合成多孔中空微球结构的基础上，进一步研究微量元素对磷酸钙材料的离子改性所引起的组分不均匀、离子突释等问题，利用聚电解质和酵母细胞对Sr²⁺的特殊吸附作用，达到对离子含量和离子富集位置的有效控制，研制出含锶磷酸钙中空微球（Sr-CPMC），并研究了Sr²⁺对Sr-CPMC组成和结构的影响，以及Sr²⁺含量与Sr²⁺富集位置对产物的离子释放行为、矿化、蛋白质吸附作用和细胞生物学性能的影响。研究结果表明，利用聚电解质吸附作用制备的多孔Sr-CPMC，其Sr²⁺预先进入无定形磷酸钙中，特定热处理后形成Sr-TCP，Sr²⁺主要富集在微球外层， Sr²⁺含量与初始锶钙摩尔比成正比例关系。而利用酵母细胞的生物吸附作用制备的Sr-CPMC，其Sr²⁺被负载在生物模板内核，在热处理阶段掺入TCP晶体中，Sr²⁺主要富集在微球内层，Sr²⁺含量随着初始Sr²⁺浓度先升高后下降。生物模板法可调控磷酸钙材料的微量元素离子改性，有效控制CPMC的Sr²⁺含量以及Sr²⁺在微球内/外层的富集。酵母细胞作为一种智能的离子掺杂的初级筛选装置，可实现对磷酸钙的低剂量微量元素的离子改性。Sr-CPMC具有Sr²⁺缓释性能以及良好的矿化和蛋白质吸附性能，Sr²⁺含量和Sr²⁺富集位置是影响Sr²⁺释放行为、矿化和蛋白质吸附性能的关键技术参数。Sr-CPMC的多孔中空微球结构对Sr²⁺的缓释起到关键控制作用。Sr-CPMC与人骨髓间充质干细胞（hMSCs）共培养过程中表现出良好的细胞相容性。Sr-CPMC具有促进hMSCs增殖和成骨分化的生物学性能，这主要得益于多孔中空微球结构和Sr-Ca组分的协同效应。与不含锶的磷酸钙空白样对比，当Sr²⁺含量为0.18±0.04at%且Sr²⁺富集在微球内层的Sr-CPMC，其细胞增值率提高了约40%。Sr²⁺富集在微球内层的Sr-CPMC，在成骨诱导培养过程中使hMSCs的ALP酶活性提高了约50%，显著地促进了hMSCs的ALP、Collagen-I和Runx-2基因表达，以及ALP酶的分泌和钙结节的形成。Sr-CPMC与hMSCs经过30天成骨诱导共培养，形成了粉体-细胞三维复合团，在复合团内外hMSCs的黏附与增殖情况良好，并向成骨分化产生了大量的Collagen-I，该三维复合团具有向类骨组织转化的潜能。本研究采用生物模板法制备的含锶磷酸钙材料，表现出良好的离子缓释、矿化、蛋白质吸附和细胞生物学性能，有望作为药物载体或者填充料、钙磷系统可注射自固化骨水泥或者骨组织工程支架，在生物医学方面具有广阔的应用前景。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
主要符号表  13-14
第一章绪论  14-28
  1.1 引言  14
  1.2 磷酸钙生物陶瓷材料  14-18
    1.2.1 主要的磷酸钙盐  14-15
    1.2.2 磷酸钙微球  15-17
    1.2.3 磷酸钙的制备方法  17-18
  1.3 模板法仿生合成技术  18-22
    1.3.1 模板法  18
    1.3.2 常用的磷酸钙微球合成模板剂  18-21
    1.3.3 生物模板法  21-22
  1.4 磷酸钙材料的离子改性  22-25
    1.4.1 改性离子种类及其影响  22-23
    1.4.2 磷酸钙的锶离子改性  23-24
    1.4.3 含锶磷酸钙的制备方法  24-25
  1.5 本研究的目的、主要内容以及创新性  25-28
第二章生物模板法仿生合成磷酸钙微球的研究  28-50
  2.1 引言  28-29
  2.2 实验部分  29-32
    2.2.1 实验试剂  29
    2.2.2 酵母细胞的培养  29-30
    2.2.3 磷酸钙微球的制备  30-31
    2.2.4 影响因素选择及水平设计  31-32
    2.2.5 测试与表征  32
  2.3 实验结果与讨论  32-49
    2.3.1 聚电解质自组装阶段关键技术参数对磷酸钙微球的影响  32-40
    2.3.2 沉积阶段关键技术参数对磷酸钙微球的影响  40-44
    2.3.3 热处理阶段关键技术参数对磷酸钙微球的影响  44-49
  2.5 本章小结  49-50
第三章磷酸钙中空微球仿生合成机理的研究  50-67
  3.1 引言  50
  3.2 实验部分  50-51
    3.2.1 实验试剂  50
    3.2.2 实验方法  50-51
    3.2.3 测试与表征  51
  3.3 实验结果与研究  51-65
    3.3.1 磷酸钙中空微球结构形成过程的研究  51-55
    3.3.2 磷酸钙中空微球组分形成过程的研究  55-58
    3.3.3 磷酸钙中空微球仿生合成机理的讨论  58-65
  3.4 本章小结  65-67
第四章含锶磷酸钙中空微球仿生合成的研究  67-87
  4.1 引言  67-68
  4.2 实验部分  68-69
    4.2.1 实验试剂  68
    4.2.2 实验方法  68-69
    4.2.3 测试与表征  69
  4.3 实验结果与讨论  69-86
    4.3.1 聚电解质吸附作用制备含锶磷酸钙中空微球的研究  69-74
    4.3.2 酵母对锶离子的生物吸附特性的研究  74-79
    4.3.3 生物吸附作用制备含锶磷酸钙中空微球的研究  79-86
  4.4 本章小结  86-87
第五章锶对含锶磷酸钙中空微球的离子释放、矿化与蛋白吸附性能的影响及其作用机理研究  87-114
  5.1 引言  87
  5.2 实验部分  87-91
    5.2.1 实验试剂  87-88
    5.2.2 实验方法  88-90
    5.2.3 测试与表征  90-91
  5.3 实验结果与讨论  91-112
    5.3.1 含锶磷酸钙中空微球的离子释放性能的研究  91-95
    5.3.2 含锶磷酸钙中空微球的体外矿化性能的研究  95-102
    5.3.3 含锶磷酸钙中空微球的蛋白质吸附性能的研究  102-106
    5.3.4 锶及其富集位置对磷酸钙中空微球的离子释放、矿化和蛋白质吸附性能的作用机理  106-112
  5.4 本章小结  112-114
第六章含锶磷酸钙中空微球影响人骨髓间质干细胞黏附、增殖与分化行为的研究  114-152
  6.1 引言  114
  6.2 实验部分  114-122
    6.2.1 实验试剂  114-115
    6.2.2 实验方法  115-121
    6.2.3 测试与表征  121-122
  6.3 实验结果与讨论  122-151
    6.3.1 含锶磷酸钙中空微球对 hMSCs 黏附和增殖行为的影响  122-136
    6.3.2 含锶磷酸钙中空微球对 hMSCs 成骨分化行为的影响  136-143
    6.3.3 含锶磷酸钙中空微球与 hMSCs 共培养成三维复合团的研究  143-151
  6.4 本章小结  151-152
结论  152-155
参考文献  155-170
攻读博士学位期间取得的研究成果  170-171
致谢  171-172
答辩委员会对论文的评定意见  172

含锶磷酸钙中空微球的生物模板法仿生合成研究

内容摘要

全文目录

相似论文