基于三周期极小曲面β-磷酸三钙仿生骨支架设计和生物活性的检测

摘要

背景:增材制造技术可以精确、个性化地定制具有复杂多孔结构的骨支架,达到恢复临界骨缺损区域松质骨结构和功能的效果.目的:通过材料学和细胞学表征,明确三周期极小曲面结构β-磷酸三钙生物陶瓷骨支架的机械性能及生物活性,揭示三周期极小曲面结构对成骨细胞的调控效果.方法:通过Matlab R2020a软件设计330,420,510μm 3种孔径的三周期极小曲面G曲面支架,Inspire 2018软件分析支架结构设计.以三周期极小曲面结构导出后的STL文件为蓝本,通过基于数字激光加工的增材制造技术制备3种β-磷酸三钙生物陶瓷支架,采用扫描电镜观测支架表面形貌,X射线衍射仪检测物相组成,万能材料试验机检测支架的力学强度.将MC3T3-E1细胞与3种支架共培养,检测细胞的增殖活性、黏附能力与碱性磷酸酶活性.结果 与结论:①Inspire 2018软件显示,三周期极小曲面呈现出光滑、连续、均一的贯通式多孔结构;②扫描电镜下可见,基于数字激光加工的增材制造技术成功实现了三周期极小曲面结构的精确成型;③X射线衍射结果证实,支架由纯β-磷酸三钙晶相组成;④3组支架的压缩强度和弹性模量均处于或接近松质骨力学强度范围,且支架的压缩强度与孔径大小呈反比;⑤CCK8实验显示,MC3T3-E1细胞在3种支架上生长良好,生物活性与孔径呈现剂量依赖关系,510μm孔径促进细胞增殖效果最佳;⑥活细胞成像仪和激光共聚焦显微镜下可见,MC3T3-E1细胞能够在3种支架上实现早期黏附,且黏附量随孔径增大而增加;⑦碱性磷酸酶活性分析表明,420μm孔径支架上细胞的碱性磷酸酶活性最高;⑧结果表明,三周期极小曲面结构β-磷酸三钙生物陶瓷支架表现出较好的机械性能与生物活性,其中420μm孔径有利于促进细胞分化,510μm孔径有利于细胞增殖,具有修复临界骨缺损的应用潜力.