AW生物活性玻璃(CaO-MgO-SiO
2-P
2O
5-CaF
2)是一种多相复合材料,具有良好的生物活性、骨传导性、生物相容性,在现有的生物活性玻璃中其机械性能最佳。AW玻璃在生理环境下抵抗老化和疲劳性能也非常好,它在模拟体液中承受屈服应力65 MPa(相当于人体承受的最大应力)可达10年。AW生物活性玻璃与邻近骨的结合强度甚至高于材料本身或骨组织的强度
[15-17] 。生物活性玻璃在体内显示了长期的结构稳定性,良好的生物相容性,还具有一定的骨传导能力。尽管如此,生物活性玻璃仍然存在一定的不足:①生物活性玻璃含有的硅成分在体内不能完全降解,其代谢机制尚不清楚。②生物活性玻璃的机械强度较低,脆性大,尤其是其抗弯强度差。③生物活性玻璃对细胞的调节机制尚不完全明确
[18] 。壳聚糖对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进作用,是一种理想的天然可降解的阳离子多糖。壳聚糖具有天然的药物活性、抗肿瘤活性、消炎作用,能加快创伤愈合
[19] 。
生物活性玻璃是一类被广泛用于骨修复的无机活性材料。生物活性玻璃与羟基磷灰石复合可以保持生物材料的活性[20]。复合后,羟基磷灰石的抗弯强度达 137.1 MPa,接近人骨抗弯强度147.1 MPa,断裂韧性值为 1.0-2.6 MPa•m;并且该材料移植后即使有微裂纹产生,也会在人体组织细胞作用下很快弥合,而且强度稳定。该种方法的优点在于保持了生物材料的活性,并对其强度和韧性有一定的改善。将CaO-MgO-SiO
2-P
2O
5-CaF
2与 ZrO
2 和 A1
2O
3 粉末相混合,经过真空烧结后结晶化处理,得到相对密度为 99%的复合烧结体。但理想的骨组织工程支架材料应具有很好的三维立体结构,有高的孔隙率,可达到80%-90%,并且具有很大的内表面积。将生物活性玻璃与生物可降解高分子材料复合可制成具有连续孔洞结构的三维骨架材料,有研究制备了生物活性玻璃与聚乳酸和聚乙醇酸共聚物形成的三维复合骨架材料,其弹性模量要高于纯聚合物形成的骨架材料,而压缩强度则有所下降;但其压缩强度偏低。
理想的骨组织支架材料应该具有:有效一定的表面活性,有利于细胞的黏附,能为细胞的表面生长、增殖和分泌基质提供良好的微环境,并且能激活细胞特异基因表达,维持正常细胞的表型表达;降解速率与组织细胞的生长速率应相适应,降解时间能有效调控;在一定机械强度的基础上,拥有尽量高的孔隙率。获得这样比较理想的支架材料,是向形成组织或器官迈出的关键一步。
因此实验采用仿生学原理复合有机-无机相,将其作为骨修复和骨固定材料来使用。有机-无机复合材料不仅综合了有机组分的韧性和无机组分的刚性,而且充分利用了无机组分或部分有机组分的生物活性或降解性能,因而在材料性能上更具优越性,较以前单纯的生物活性玻璃材料要更符合仿生学原理。
基于上述,实验探讨使用生物活性玻璃与壳聚糖制备复合支架,在此过程中采用的冷冻干燥技术可避免高温熔融法对生物活性玻璃活性的影响。实验采用的冷冻干燥技术不需要加入非溶剂,将聚合物溶于溶剂中,降低温度使溶剂在聚合物溶液中结晶,再使溶剂升华或被其他溶剂交换而形成多孔支架。其中水做为可操控的造孔剂被使用。实验对生物活性玻璃/壳聚糖复合支架材料的力学性能及孔隙率进行检测,结果显示制备的壳聚糖与生物活性玻璃比例为2∶1时孔隙率最高,可达到89.78%,断裂强度为1.21 MPa。随着生物活性玻璃的含量增加,孔隙率下降,但是断裂强度增加明显,最高可高达2.63 MPa。通过SPSS 16.0计算得出它们之间存在一定的相关性。
扫描电镜更是观察材料表面微观形貌不可替代的方法。实验扫描电镜观察显示支架具有明确相互贯通的多孔结构,孔径大小在100-300 μm,各孔径之间、不同层次之间有通道相连,具备利于细胞、组织生长的三维空间结构。壳聚糖包裹生物活性玻璃构成网状孔径框架。生物活性玻璃能与壳聚糖结合紧密,并在壳聚糖支架内。可见生物活性玻璃以针状的形式分散在壳聚糖支架之间,未见生物活性玻璃聚集,说明生物活性玻璃已充分分散。生物活性玻璃均匀排列,被壳聚糖支架充分包裹结合紧密,并能有效的对材料的强度提供支撑作用,从而得到较高的力学性能。
红外光谱分析和X射线衍射分析是对材料本体性能检测的基本方法。实验复合支架X射线衍射图及傅里叶变换红外光谱证实实验制备出的支架中单一材料未发生性质改变,并没有发生化学反应形成新的物质。
实验制备的生物活性玻璃/壳聚糖复合支架材料差动热分析提示:缓慢加热到200 ℃的过程中,85.8 ℃为壳聚糖的熔点。复合支架材料在45 ℃以前没有任何的质量丢失,说明复合材料在正常体温情况下无质量丢失,达到生物材料的要求。
通过扫描电镜观察生物活性玻璃/壳聚糖复合支架材料浸泡在模拟生理溶液前后材料表面及内部孔洞壁的形貌变化,进而反映材料的生物活性和生物矿化特性。模拟体液浸泡实验提示:生物活性玻璃/壳聚糖复合材料矿化3 d后,表面形成的羟基磷灰石逐渐长大为绒毛状,数量也明显增多;矿化7 d后生物活性玻璃晶粒随着壳聚糖的降解吸收而变得突出,绒毛状的羟基磷灰石长成为针状,数量进一步增多,且众多的矿化物结成球状。随浸泡时间的延长可见许多球形晶簇生长,铺展延伸形成羟基磷灰石层,几乎覆盖整个材料的表面。所形成的羟基磷灰石晶粒细而长,相互交错在一起,能够提供给细胞在其上黏附、增殖和分化,从而得知复合支架材料具有较好的矿化能力和生物活性。
综上得知制备的生物活性玻璃/壳聚糖复合材料符合理想骨组织支架材料的要求,并且还具有良好的生物活性。因实验只对生物活性玻璃/壳聚糖复合支架材料进行理化性质、体外模拟实验的研究,而生物相容性的研究内容需进一步实验研究。