多孔钛支架的制备及其表面微纳结构的构建与表征

摘要

骨组织工程支架的贯通性及力学性能对其体内的生物学表现具有重要影响。多孔支架结构在骨组织修复和替换过程中起着支撑细胞黏附、增殖与分化和组织生长的作用。支架材料在骨组织工程中扮演着骨基质的角色，其为细胞正常生理活动以及组织的长入提供了场所。钛及其合金由于其优异的理化性能和良好的力学性能而被广泛应用于骨组织修复过程中，然而钛植入体由于其本身的生物惰性而无法诱导周围骨组织快速长入，因此需要对钛基体表面进行改性以提高其生物学性能。有研究表明，材料表面特殊的微纳结构利于细胞的粘附与生长。所以，研究多孔钛支架表面特殊微纳结构的构建意义重大。 本研究以多孔钛支架为基础，采用预处理方法在其表面构建特殊的微纳米形貌，之后利用电化学沉积法在其表面构建具有微纳形貌的羟基磷灰石（HA）涂层，研究了沉积电压及沉积时间对支架表面微纳结构形貌与物相的影响。通过细胞实验分析支架表面微纳结构对细胞粘附、增殖及分化的影响。主要研究内容与结果如下： 以钛粉为原料，采用甲壳素溶胶体系和糖球造孔剂制备多孔Ti支架，考察不同Ti含量浓度对支架的孔隙率、收缩率、宏孔尺寸及抗压强度的影响。结果表明，当Ti浓度为50%时，支架具有相对优异的孔隙结构及抗压强度，Ti含量为30%时，支架易在烧结过程中发生塌陷，而Ti浓度为70%时，会使得支架孔隙较为封闭，贯通性变差。后续对 Ti-50 支架应用两种方法进行干燥，考察自然干燥法与冷冻干燥法下支架的收缩率与质量降低率。结果表明，冷冻干燥法对支架进行干燥后，更利于样品形貌的保持。 对制备的Ti-50 支架进行碱热处理以及多巴胺浸泡处理，在多孔钛支架表面形成了具有不同微纳结构的预处理表面。研究了电化学沉积过程中，不同表面结构对形成HA涂层的作用。同时研究了电化学沉积电压和沉积时间对碱热钛支架表面构建微纳结构HA涂层的影响。结果表明：脉冲电压-1.0 V，沉积时间60min可获得较为均匀的微纳米HA涂层。制备长径比为3:2的支架用于抗压强度测试。结果显示，表面改性后支架与空白支架间抗压强度并无明显变化。 利用支架浸提液培养间充质干细胞（BMSCs），结果表明几组支架均无明显细胞毒性，具有良好生物相容性。在三组支架表面培养BMSCs，细胞均可粘附于支架表面，BMSCs增殖实验结果显示：三组支架细胞增殖性能并无显著性差异。ALP检测结果表明，碱热支架与电化学沉积HA支架能够促进MMSCs向成骨分化，说明表面微纳结构对细胞分化有一定作用。

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