介孔生物活性玻璃/脱钙骨复合支架的制备及性能研究

将介孔生物活性玻璃(MBG)与脱钙骨(DB)复合, 利用浸渍法制备出MBG/DB复合支架材料. 采用红外光谱(FTIR), 扫描电镜(SEM), X射线衍射(XRD), 电子万能材料试验机等方法对牛松质骨(CB)、DB、MBG/DB复合支架进行表征. 结果表明, CB经浸酸处理后制备的DB, 孔径大小在200~600μm范围内, 孔隙率约为71%, 抗压性能比CB明显降低(1.10±0.31)MPa, 而采用浸渍法制备的复合支架, 孔隙率降为40%左右, 而压缩强度明显提高(8.49± 2.14)MPa. 体外生物活性测试表明: 复合支架具有良好的生物活性.     

介孔生物活性玻璃装载和释放抗癌药物表阿霉素的研究

将介孔58S生物活性玻璃(m58S)作为抗癌药物载体评价了其对表阿霉素的装载量和释放性能. 实验结果表明, m58S对亲水性药物表阿霉素的药物装载量为40%, 是普通溶胶-凝胶58S生物活性玻璃的3倍多, 并且具有更长效的缓释特性. 研究还发现释放介质的pH值对表阿霉素的释放速率有很大影响, pH值越低, 表阿霉素分子从载体材料中释放出的速率越快. 因此, 介孔生物活性玻璃是一种高效的药物缓释载体, 且药物释放速率受释放介质pH值影响, 有望成为药物控释型骨修复材料.     

溶胶-凝胶法制备高比表面积铝磷钙生物活性玻璃

采用溶胶-凝胶法, 在不使用模板剂的情况下制备出高比表面积的介孔CaO-Al₂O₃-P₂O₅生物活性玻璃(MBGs), 用BET、XRD、DTA以及FTIR对MBGs的结构进行了表征, 并用生物模拟体液(SBF)在36.5℃对生物玻璃进行了体外活性测试, 测试时间为1 d、3 d、7 d和14 d。介孔玻璃的比表面积最高达到461.1 m²/g, 随着CaO的含量从5mol%增加到30mol%, 介孔玻璃的比表面积呈降低趋势。用XRD和FTIR验证了材料的玻璃结构。然而, 在生物模拟体液(SBF)实验中, 当CaO摩尔含量达到20mol%时, 介孔玻璃表现出较高生物活性。这种特殊的高比表面积的介孔铝磷钙生物活性玻璃在生物医药方面有潜在的应用价值。本文的实验结果对优化生物玻璃的介孔结构和CaO含量来提升玻璃的生物活性有一定的指导意义。     

负载ZnS的介孔炭复合硫正极材料的制备及性能研究

为了获得高性能的锂硫电池正极材料, 采用先超声分散再进行热处理的方法制备了负载ZnS的介孔炭复合材料(ZnS/MC), 进而用热复合法获得负载有ZnS的介孔炭复合硫正极材料(ZnS/MC/S)。XRD、SEM、EDS和N2吸附脱附等温线表明, 当ZnS含量低于17wt%时, 通过超声波分散, ZnS可以均匀负载到介孔炭中; 但热处理或提高ZnS含量时ZnS会发生聚集, 形成闪锌矿型ZnS晶相。循环伏安测试表明, ZnS对多硫离子的氧化起促进作用; 充放电测试表明, ZnS/MC/S电极的初始放电比容量为1354.6 mAh/g, 首次充放电库仑效率为98.7%; 50次循环后容量仍有650 mAh/g。     

多级孔材料研究进展

多孔材料具有孔隙率高、比表面积大、导热系数低、体积密度小及化学性质稳定等优点,在吸附与分离、催化剂载体、隔热材料、能量储存、传感器等领域拥有广阔的应用前景。基于孔直径的大小可将多孔材料分为三类:孔径大于50nm的大孔材料(Macroporous materials),孔径介于2～50nm的介孔材料(Mesoporous materials)和孔径小于2nm的微孔材料(Microporous materials)。但是,由于孔径的限制,这三类材料的应用均存在一定的局限性。多级孔材料兼具通透性好、孔隙结构发达、体积密度小、比表面积和孔体积大等优点,打破了传统单级孔材料孔结构单一的局限,因此越来越受到研究人员的关注。然而,多级孔材料在制备中仍存在较多问题。例如,其合成过程通常会涉及到两种及两种以上的方法,制备工艺复杂;现有的多级孔材料的制备成本高,孔结构难以控制。因此,研究者们主要从优化多级孔材料的制备工艺以及降低生产成本等方面入手,制备出孔径均一且可控的多级孔材料。多级孔材料主要有大孔-介孔材料(Macro-mesoporous materials)、微孔-介孔材料(Micro-mesoporous materials)以及含有两种或多种不同孔径的介孔-介孔材料(Meso-mesoporous materials)。大孔-介孔材料常见的制备方法有模板法、发泡法、溶胶-凝胶法及熔盐法等;微孔-介孔材料的主要制备方法有化学活化法、模板法和水热法等;介孔-介孔材料的制备方法主要有水热法、模板法、溶胶-凝胶法及自组装法等。本文综述了近年来多级孔材料的最新研究进展,分别对大孔-介孔、微孔-介孔及介孔-介孔材料的制备方法进行了介绍,并简要分析了未来本领域研究的发展趋势。     

3D打印纯钛骨支架表面掺银介孔生物活性玻璃涂层的性能研究EI北大核心CSCD

术后感染是临床上常见且最具挑战性的问题之一,开发新型抗菌涂层是解决该问题的有效策略,具有重要的科学及社会意义。在3D打印多孔钛骨支架表面制备了具有抗菌功能的生物活性涂层,研究发现,银(Ag)以单质的形式存在于介孔生物玻璃(MBG)涂层之中,随着Ag含量的增加(0%,0.5%,1%,1.5%,摩尔分数),介孔涂层的比表面积从377.6 m^(2)/g下降到363.35 m^(2)/g。体外矿化结果表明,随着Ag含量的增加,磷灰石诱导能力略微下降。抗菌实验表明,银的添加显著提高了支架的抗菌性能。添加少量的银(0.5%)即可达到100%的抗菌率。支架与MC3T3-E1细胞共培养的实验结果表明,Ag掺杂的MBG涂层具有良好细胞相容性,且添加少量银能促进MC3T3-E1细胞增殖。使用一种简单的浸渍提拉法将掺Ag的MBG涂层应用于具有复杂的多孔结构3D打印钛支架上,使得支架的矿化性能、杀菌性能以及细胞相容性显著提高。本研究为进一步开发多功能骨植入支架提供了新思路。     

基于介孔硼硅酸盐生物活性玻璃微球的可注射复合骨水泥

以溶胶-凝胶法制备的介孔硼硅酸盐生物活性玻璃微球(MBGS)作为固相, 海藻酸钠(SA)溶液作为液相,开发了一种可注射复合骨水泥。对MBGS中氧化硼/氧化硅的比例对其质构性能及骨水泥的可操作性、抗压强度和生物活性的影响进行表征。实验结果表明, 随着硼含量的增加, MBGS的比表面积从161.71 m²/g增大至214.28 m²/g, 平均孔径以及总孔容也随之增长, 加速了玻璃相中钙离子的释放, 使得玻璃与SA的快速交联, 改善了骨水泥可操作性能和力学性能, 凝固时间由21 min缩短至9 min, 抗压强度由3.4 MPa提升至4.1 MPa, 体外矿化性能也随之提高。综合各方面性能表现, BC-30骨水泥兼具良好的可操作性能、力学性能和体外矿化能力, 是最合适的骨水泥组分。总之, 提高MBGS的质构性能是增强复合骨水泥的可操作性、抗压强度和生物活性的有效方法。     

掺钕介孔硼硅酸盐生物活性玻璃陶瓷骨水泥的制备与性能表征

骨肉瘤是一种常见的恶性骨肿瘤, 常通过手术切除进行治疗。但术后造成的骨缺损难以自愈, 残余肿瘤细胞还会增加复发可能性。本研究开发了一种用于修复骨缺损和协同治疗骨肉瘤的掺钕介孔硼硅酸盐生物活性玻璃陶瓷骨水泥。首先通过溶胶-凝胶法结合固态反应制备了可作为光热剂和药物载体的掺钕介孔硼硅酸盐生物活性玻璃陶瓷微球(MBGC-xNd), 然后将微球与海藻酸钠(SA)溶液混合制备了可同时进行光热治疗和化学治疗的可注射骨水泥(MBGC-xNd/SA)。结果表明掺Nd³⁺赋予微球可控的光热性能, 负载阿霉素(DOX)的微球显示出持续的药物释放行为。此外, 载药骨水泥的药物释放量随着温度的升高而显著增加, 说明光热疗法产生的热量可促进DOX释放。体外细胞实验结果表明, MBGC-xNd/SA具有良好的促成骨活性, 并且光热-化学联合疗法对MG-63骨肉瘤细胞起到了更显著的杀伤作用, 表现出协同效应。因此,MBGC-xNd/SA作为一种新颖的多功能骨修复材料, 在骨肉瘤的术后治疗方面具有良好的应用前景。     

氨基化改性生物玻璃/明胶/胶原复合支架的研究

利用溶胶-凝胶技术制备生物活性玻璃,并将其与明胶、胶原蛋白复合制备生物活性玻璃/明胶/胶原复合支架。力学性能研究表明,该复合支架形变量50%时的抗压强度为5.97 MPa;将生物活性玻璃氨基化改性后,制备的复合支架形变量50%时的抗压强度略有增加(6.15 MPa)。傅立叶红外光谱显示,氨基化改性生物玻璃与明胶、胶原之间生成酰胺键,增强了复合支架的结构稳定性。将生物活性玻璃/明胶/胶原复合支架置于模拟体液中矿化,在扫描电镜下可观察到其表面生成了羟基磷灰石,且随着矿化时间的延长,生成的羟基磷灰石颗粒逐渐增多。生物活性玻璃/明胶/胶原复合支架于磷酸盐缓冲液(PBS)中降解28d后,其质量剩余25.25%,而氨基化改性生物活性玻璃/明胶/胶原复合支架的质量剩余32.96%,表明氨基化改性能够提高其无机相与有机相的界面相容性,从而提高复合支架的结构稳定性。细胞毒性研究表明,氨基化改性生物活性玻璃/明胶/胶原复合支架和生物活性玻璃/明胶/胶原复合支架反应级为0级或1级,可满足生物医用材料的要求。氨基化生物活性玻璃/明胶/胶原复合支架有望在骨组织工程修复中得到应用。     

介孔炭材料及介孔炭/氧化硅复合材料对大分子有机污染物的吸附

介孔炭材料与活性炭相比具有较大的孔体积和孔径,高的比表面积以及规则的孔道结构,而介孔炭/氧化硅复合材料兼顾了活性炭与介孔材料的优点,因此在吸附大分子有机污染物方面有很好的应用前景。笔者综述了近年来介孔炭,负载/修饰后的介孔炭,介孔炭/氧化硅复合材料的制备和最新研究进展。在制备方面,根据其制备机理的不同可分为硬模板法和软模板法,制备出有序的介孔炭与介孔炭/氧化硅复合材料。在应用方面,重点介绍了介孔炭材料和介孔炭/氧化硅复合材料对大分子有机污染物的吸附性能。进而对介孔炭/氧化硅复合材料在吸附方面的应用进行了展望。     

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。      

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。      

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.     

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.     

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。      

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.     

磷酸钙骨水泥大孔径多孔组织工程支架的制备及其纤维增强

采用粒子溶出造孔法, 用棒状谷氨酸钠晶体作为造孔粒子, 制备磷酸钙骨水泥多孔支架, 研究了造孔粒子含量和多孔支架孔隙率之间的关系, 并加入甲壳素纤维来改善支架材料的力学性能. 结果表明, 支架材料的孔隙率可达(79.8±2.3)%,孔隙直径100～600μm; 复合纤维后支架的强度提高了3～4倍, 断裂应变显著提高, 可作为非承重部位骨缺损修复的骨组织工程支架材料.     

High Volumetric and Gravimetric Capacity Electrodeposited Mesostructured Sb2O3 Sodium Ion Battery Anodes

Sodium ion batteries (SIBs) are considered promising alternatives to lithium ion batteries for grid‐scale and other energy storage applications because of the broad geographical distribution and low cost of sodium relative to lithium. Here, fabrication and characterization of high gravimetric and volumetric capacity 3D Ni‐supported Sb₂O₃ anodes for SIBs are presented. The electrodes are prepared by colloidal templating and pulsed electrodeposition followed by heat treatment. The colloidal template is optimized to provide large pore interconnects in the 3D scaffold to enable a high active materials loading and accommodate a large volume expansion during cycling. An electrodeposited loading of 1.1 g cm^?3 is chosen to enable a combined high gravimetric and volumetric capacity. At this loading, the electrodes exhibit a specific capacity of ≈445 mA h g^?1 and a volumetric capacity of ≈488 mA h cm^?3 with a capacity retention of 89% after 200 cycles at 200 mA g^?1. The stable cycling performance can be attributed to the 3D metal scaffold, which supports active materials undergoing large volume changes, and an initial heat treatment appears to improve the adhesion of the Sb₂O₃ to the metal scaffold.     

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.