具有良好贯通性的颗粒造孔支架的制备及表征

支架孔隙贯通性的研究一直是多孔生物陶瓷的研究重点之一.采用石蜡球作为造孔剂, 在常规的颗粒造孔法制备多孔陶瓷支架的基础上,通过二甲苯处理以便在石蜡球间形成桥联结构, 以扩大颗粒间的接触面积,从而提高多孔陶瓷支架的孔隙贯通性. 借助扫描电镜(SEM)观察陶瓷支架的多孔结构,评价二甲苯处理石蜡球对陶瓷支架孔隙贯通性的改善效果; 采用密度法测定了陶瓷支架的孔隙率并计算其收缩率,并用成骨细胞评价陶瓷支架的细胞相容性. 结果表明,通过二甲苯的处理, 不仅改善了陶瓷支架孔隙的贯通性,而且提高了其孔隙率, 但孔隙率对陶瓷支架的收缩率无明显影响.细胞培养实验显示成骨细胞可进入多孔陶瓷支架内部, 并在材料表面正常生长,贯通性好的多孔陶瓷支架可为成骨细胞生长提供更充分的空间.     

冷冻干燥/粒子沥滤复合法制备聚己内酯组织工程支架

采用冷冻干燥/粒子沥滤复合法制备聚己内酯(PCL)多孔支架,通过扫描电镜对支架的三维结构进行了表征,并计算了支架孔隙率.研究结果表明,与单一冷冻干燥法或粒子沥滤法相比,复合法制备的PCL支架具有孔隙率高(86%),孔隙结构均匀、孔隙连通性好、孔径可控等特点,支架结构可以通过调整预冷冻温度和造孔剂粒径进行控制.     

新型可降解钙磷骨水泥多孔支架研究

采用一种特殊的方法制备了孔径、孔隙率和孔形状可控的多孔羟基磷灰石骨水泥支架. 材料的抗压强度可达4MPa, 孔隙率可达70%, 孔与孔之间互相贯通, 大孔壁富含微孔. 细胞在材料表面黏附铺展且增殖良好, 体外模拟实验显示材料的降解速度随孔隙率的增加和Ca/P比的降低而加快, 多孔支架有优良的生物降解性和生物相容性. 该材料可用于修复骨组织缺损和作为支架材料用于组织工程.     

聚L-乳酸/β-磷酸三钙复合骨支架材料成型工艺优化研究

利用溶剂自扩散-模压成型-粒子沥滤法制备聚L-乳酸(PLLA)/β-磷酸三钙(β-TCP)复合多孔支架材料,采用正交设计对成型工艺进行了优化,对支架进行了形貌观察、力学强度和孔隙率大小测试.结果表明:当PLLA∶β-TCP=1∶2,成型压力5 MPa,致孔剂粒径125～400 μm,用量80%(wt)时,制备的支架材料孔结构三维贯通,抗压强度为4.45 MPa、孔隙率为60.7%,满足骨组织工程支架材料要求.     

纳米羟基磷灰石/聚酰胺多孔支架材料的制备及性能研究

使用多种致孔剂采用粒子沥滤法制备了纳米羟基磷灰石／聚酰胺多孔支架材料，用IR、XRD、SEM等手段对多孔复合材料的组成结构及形貌进行了表征，并检测了其物理性能指标。结果表明，复合材料中两相分散均匀，且发生了界面结合；材料的孔隙率与致孔剂的含量成正比，支架中大孔与微孔并存且相互贯通；以NaCl作致孔剂且孔隙率达到80％左右时的支架材料可以同时满足组织工程对孔隙率和力学强度的双重要求。     

蜡球造孔法制备多孔HA陶瓷支架及其性能优化

组织工程支架的贯通性对其体内生物学表现具有重要影响。采用甲壳素溶胶体系和蜡球造孔剂制备多孔羟基磷灰石(HA)陶瓷支架, 考查在相同模压条件下, 不同浆料/造孔剂比例对多孔HA陶瓷支架的孔隙率、收缩率、贯通性、多孔结构以及抗压强度的影响。结果表明: 该方法可以制备具有高孔隙的多孔HA陶瓷支架, 随着造孔剂比例的增大, 支架的贯通性更好, 当浆料/造孔剂比例为1:1.2时可以得到孔隙率、贯通性、力学性能最优的多孔HA陶瓷支架。     

左旋聚乳酸-聚己内酯-醋酸纤维素三维微-纳米复合纤维多孔支架材料的制备与生物矿化活性

3D纳米纤维多孔支架作为骨组织工程支架材料具有很好的发展前景。在无其它任何添加剂条件下,通过低温相分离方法制备了左旋聚乳酸-聚己内酯-醋酸纤维素（PCL-CA-PLLA）三维微-纳米复合纤维多孔支架材料。采用SEM分析聚合物比例、淬火时间、聚合物浓度和淬火温度等条件对纤维支架材料形貌影响。PCL-CA-PLLA（1∶1∶8）的直径为（276±121） nm,该直径与细胞外基质的尺寸大小（50～500 nm）相当,孔隙率和比表面积分别为95.12%和54.18 m²/g。说明PCL-CA-PLLA三维微-纳米复合纤维多孔支架材料为高孔隙率和大比表面积的三维多孔材料。与纯PLLA纤维支架材料相比,PCL-CA-PLLA三维微-纳米复合纤维多孔支架材料的机械强度有所提高,亲水性有所改善。PCL-CA-PLLA三维微-纳米复合纤维有望成为理想的组织工程支架材料。     

多孔 n2 HA/ PA26复合材料的制备及性能

采用注塑方法制备了多孔纳米磷灰石/聚酰胺26 (n2 HA/ PA26) 复合材料 , 采用 SEM、XRD、IR、 力学性能测试考察了多孔材料的性能。结果发现 : 多孔纳米磷灰石/聚酰胺26复合材料的孔隙分布均匀 , 贯通性良好 , 孔的尺寸约为 100～700μm , 平均孔径约 300～500μm , 大孔壁上有丰富的微孔 ; 所得多孔复合材料的孔隙率可控 , 总孔隙率最高可达 881 6 %; 多孔材料的总孔隙率降低 , 则开孔率随之降低 ; 多孔纳米磷灰石/聚酰胺26 复合材料的抗压强度为 1. 1～15. 6 MPa , 压缩模量为 0. 4～1. 4 GPa ; 在总孔隙率相近的条件下 , 多孔材料的抗压强度随 n2 HA质量分数增加而升高; 发泡剂和发泡过程对组成纳米磷灰石/聚酰胺26复合材料的两组元材料的性质和结构无影响。这种多孔材料可望作为人体非承重部位的植入骨修复体和组织工程支架使用。     

基于Micro-CT不同多孔结构陶瓷支架的建模及其贯通性与液流分布分析

贯通性是骨组织工程支架的重要参数, 决定包含蛋白和细胞的体液渗入和组织生长。本研究采用Micro-CT技术对三种不同工艺(球粒堆积、蜡球造孔、纤维堆积)构建的羟基磷灰石多孔支架进行断层扫描, 并从三方面研究支架的贯通性: (1)通过影像重建定量分析支架孔隙的三维贯通结构; (2)统计分析比较三种支架在贯流方向上的孔隙率变化; (3)有限元模拟支架的内部液流分布情况。结果表明, 球粒堆积支架与蜡球造孔支架孔隙率分布较均匀, 而纤维堆积支架孔隙分布较杂乱。液流模拟(流速分布)发现, 球粒堆积支架与蜡球造孔支架中液体流动均匀, 但是蜡球造孔支架孔壁近表面区域存在大量“漩涡流”, 不利于支架内细胞与液流之间的物质交换, 该结果有可能解释球粒堆积支架体内成骨性优于蜡球造孔支架的动物体内实验结果。     

聚L-乳酸/β-磷酸三钙复合骨支架材料成型工艺优化研究

利用溶剂自扩散-模压成型-粒子沥滤法制备聚L-乳酸(PLLA)/β-磷酸三钙(β-TCP)复合多孔支架材料,采用正交设计对成型工艺进行了优化,对支架进行了形貌观察、力学强度和孔隙率大小测试。结果表明:当PLLA:β-TCP=1:2,成型压力5MPa,致孔剂粒径125～400μm,用量80% (wt)时,制备的支架材料孔结构三维贯通,抗压强度为4．45MPa、孔隙率为60．7%,满足骨组织工程支架材料要求。     

Premixed macroporous calcium phosphate cement scaffold

Calcium phosphate cement (CPC) sets in situ to form resorbable hydroxyapatite and is promising for orthopaedic applications. However, it requires on-site powder-liquid mixing during surgery, which prolongs surgical time and raises concerns of inhomogeneous mixing. The objective of this study was to develop a premixed CPC scaffold with macropores suitable for tissue ingrowth. To avoid the on-site powder-liquid mixing, the CPC paste was mixed in advance and did not set in storage; it set only after placement in a physiological solution. Using 30% and 40% mass fractions of mannitol porogen, the premixed CPC scaffold with fibers had flexural strength (mean ± sd; n = 5) of (3.9 ± 1.4) MPa and (1.8 ± 0.8) MPa, respectively. The scaffold porosity reached (68.6 ± 0.7)% and (74.7 ± 1.2)%, respectively. Osteoblast cells colonized in the surface macropores of the scaffold and attached to the hydroxyapatite crystals. Cell viability values for the premixed CPC scaffold was not significantly different from that of a conventional non-premixed CPC known to be biocompatible (P > 0.1). In conclusion, using fast-dissolving porogen and slow-dissolving fibers, a premixed macroporous CPC scaffold was developed with strength approaching the reported strengths of sintered porous hydroxyapatite implants and cancellous bone, and non-cytotoxicity similar to a biocompatible non-premixed CPC. Official contribution of the National Institute of Standards and Technology; not subject to copyright in the United States.     

磷酸钙/纤维蛋白胶复合支架材料的结构及力学性能分析

用可吸收磷酸钙骨水泥和纤维蛋白胶按一定比例体外构建复合支架材料,通过XRD、SEM、抗压实验和空隙率测试等方法对其结构及力学性能进行分析.结果发现:由于加入纤维蛋白胶,复合支架材料在一定程度上延长了磷酸钙骨水泥的初凝时间,但并不影响磷酸钙骨水泥的终凝时间;同时,加入纤维蛋白胶改变了骨水泥固化体的微观结构,提高了骨水泥的抗压强度,其最大抗压强度达到14MPa,弹性模量在96.64～269.39MPa之间,空隙率为38.8%.与在同样条件下制备的磷酸钙骨水泥比较,复合支架材料的抗压强度增强了55.6%,而空隙率仅仅下降了6.9%;XRD分析显示,复合支架材料并不影响磷酸钙骨水泥的最终的转化,其结晶结构仍是羟基磷灰石结构,是更好的骨组织工程支架材料.     

In-situ hardening hydroxyapatite-based scaffold for bone repair

Musculoskeletal conditions are becoming a major health concern because of an aging population and sports- and traffic-related injuries. While sintered hydroxyapatite implants require machining, calcium phosphate cement (CPC) bone repair material is moldable, self-hardens in situ, and has excellent osteoconductivity. In the present work, new approaches for developing strong and macroporous scaffolds of CPC were tested. Relationships were determined between scaffold porosity and strength, elastic modulus and fracture toughness. A biocompatible and biodegradable polymer (chitosan) and a water-soluble porogen (mannitol) were incorporated into CPC: Chitosan to make the material stronger, fast-setting and anti-washout; and mannitol to create macropores. Flexural strength, elastic modulus, and fracture toughness were measured as functions of mannitol mass fraction in CPC from 0% to 75%. After mannitol dissolution in a physiological solution, macropores were formed in CPC in the shapes of the original entrapped mannitol crystals, with diameters of 50 μm to 200 μm for cell infiltration and bone ingrowth. The resulting porosity in CPC ranged from 34.4% to 83.3% volume fraction. At 70.2% porosity, the hydroxyapatite scaffold possessed flexural strength (mean ± sd; n = 6) of (2.5 ± 0.2) MPa and elastic modulus of (0.71 ± 0.10) GPa. These values were within the range for sintered porous hydroxyapatite and cancellous bone. Predictive equations were established by regression power-law fitting to the measured data (R² > 0.98) that described the relationships between scaffold porosity and strength, elastic modulus and fracture toughness. In conclusion, a new graft composition was developed that could be delivered during surgery in the form of a paste to harden in situ in the bone site to form macroporous hydroxyapatite. Compared to conventional CPC without macropores, the increased macroporosity of the new apatite scaffold may help facilitate implant fixation and tissue ingrowth.     

多孔磷酸钙骨水泥组织工程支架的高分子灌注增强

利用棒状谷氨酸钠晶体作为造孔粒子,采用可溶盐造孔法,制备了三维连通的大孔径多孔磷酸钙骨水泥支架,分别将明胶(Gelatin) 、聚乳酸2羟基乙酸共聚物(PLGA) 、聚乳酸(PLA) 、聚己内酯(PCL) 、聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)灌注到多孔磷酸钙骨水泥(CPC)支架的孔隙中以改善支架材料的力学性能。结果表明,5 种高分子材料与水的接触角大小顺序为PHBV > PCL > PLA > PL GA > Gelatin , 复合支架材料的强度随高分子材料与水接触角的减小而增大;除PHBV外,其余4种均有明显的增强效果,其中Gelatin/CPC复合支架增强效果最好,强度达到2. 25 MPa±0. 02 MPa ,是CPC支架强度的25倍。经过增强的大孔径多孔磷酸钙骨水泥复合支架可用作骨组织工程支架材料。      

磷酸钙骨水泥/明胶复合组织工程支架材料的制备及其结构与性能

磷酸钙骨水泥组织工程支架材料具有良好的生物相容性和骨传导性,是一种良好的骨组织工程支架材料,但是这种材料存在力学性能差的缺点,限制了它的应用.本文采用生物相容性良好的可降解明胶材料与磷酸钙骨水泥支架进行复合,制备出的明胶/磷酸钙骨水泥复合支架材料,其压缩强度可达3.7MPa,比复合前磷酸钙支架材料的强度提高了37倍,而且材料具有良好的柔韧性,适合用作为非承重部位骨组织缺损修复用组织工程支架材料.     

Bi-layered calcium phosphate cement-based composite scaffold mimicking natural bone structure

Abstract

In this study, a core/shell bi-layered calcium phosphate cement (CPC)-based composite scaffold with adjustable compressive strength, which mimicked the structure of natural cortical/cancellous bone, was fabricated. The dense tubular CPC shell was prepared by isostatic pressing CPC powder with a specially designed mould. A porous CPC core with unidirectional lamellar pore structure was fabricated inside the cavity of dense tubular CPC shell by unidirectional freeze casting, followed by infiltration of poly(lactic-co-glycolic acid) and immobilization of collagen. The compressive strength of bi-layered CPC-based composite scaffold can be controlled by varying thickness ratio of dense layer to porous layer. Compared to the scaffold without dense shell, the pore interconnection of bi-layered scaffold was not obviously compromised because of its high unidirectional interconnectivity but poor three dimensional interconnectivity. The in vitro results showed that the rat bone marrow stromal cells attached and proliferated well on the bi-layered CPC-based composite scaffold. This novel bi-layered CPC-based composite scaffold is promising for bone repair.     

聚乳酸-羟基乙酸共聚物/磷酸钙骨水泥多孔复合支架的制备

利用定向冰晶-冷冻干燥法制备了具有定向孔隙结构的磷酸钙骨水泥支架材料, 将两种具有不同降解速率的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA) 与磷酸钙骨水泥多孔支架进行多次浸润复合, 以改善支架的力学性能。结果表明: PLGA 与支架材料复合可大大提高复合支架材料的抗压强度, 经过PLGA 二次复合后, 复合支架抗压强度可达6. 37 MPa ±0. 54 MPa 。经过PLGA 复合的支架材料保持了复合前的孔隙结构, 在孔的轴向方向上具有定向排列的开口孔隙, 这些开口孔隙的存在有利于植入初期新生组织的长入。覆盖在骨水泥基体表面的PLGA 膜可以增强基体的强度并弥补基体表面的缺陷, 充填在孔隙内部的PLGA 泡沫体可以很好地承受外加载荷, 使复合支架材料具有较好的强度和韧性。      

纳米羟基磷灰石/聚合物多孔复合支架材料

为提高骨组织工程支架材料的力学性能,改善其生物活性,综合天然与合成高分子的优点,采用溶液共混相分离法制备出聚己内酯(PCL)-壳聚糖(CS)多孔支架材料, 并进一步采用离心注浆法填充具有生物活性的纳米羟基磷灰石(HA)-聚乙烯醇(PVA)复合浆料, 制备了n-HA-PVA/PCL-CS复合多孔支架材料, 改善了PCL-CS支架材料力学性能。采用扫描电子显微镜、红外光谱、元素分析、孔隙率和抗压强度试验对材料进行了表征。结果表明, PCL-CS支架材料的内部具有蜂窝状的相互贯通的孔隙结构,孔隙率可以达到60%～80%。CS含量越大,孔隙率越大,而抗压强度越小。填充后的n-HA-PVA/PCL-CS复合多孔支架材料,孔隙率有所下降,但仍大于60%,而其弹性模量可提高至25.71 MPa。      

可缓释药物的明胶/磷酸钙骨水泥复合组织工程支架材料

采用向孔隙中灌注含聚乳酸聚乙醇酸共聚物（PLGA）载药微球的明胶溶液的方法制备了具有药物缓释功能的明胶/磷酸钙骨水泥复合组织工程支架。用扫描电子显微镜观察了微球和支架的形貌特征,用万能材料试验机测定了支架材料的抗压强度,用紫外-可见分光光度计分析了复合支架的释药率。结果表明,灌注明胶对多孔磷酸钙骨水泥支架起到显著的增强作用,抗压强度达2.42 MPa。复合支架携载硫酸庆大霉素, 具有良好的药物缓释功能,缓释时间可达30天以上,使支架在修复骨缺损的同时能消除炎症反应,成为一种集骨修复和治疗于一体的新型组织工程支架材料,具有良好的应用前景。