1.1 设计 对比观察实验,采用单因素ANOVA检验比较多组数据结果,进一步多重比较采用LSD检验。
1.2 时间及地点 实验于2020年5月至 2021年12 月在内蒙古科技大学材料与冶金学院和生命科学与技术学院、内蒙古医科大学第四附属医院完成。
1.3 材料
1.3.1 主要试剂与材料 聚乙二醇、氧化锌、无水碳酸钠、氧化硼、乙基纤维素、无水乙醇(分析纯,国药集团化学试剂有限公司);氧化钙、氢氧化钠(分析纯,天津福晨化学试剂厂);氮化硅、氧化硅、五氧化二磷(分析纯,天津市化学试剂三厂);聚氨酯海绵(浩洋海绵制品有限公司);去离子水、模拟体液(上海默克化工有限公司)。
1.3.2 主要设备 标准筛(中国航空工业第五四零厂);电子天平(BSM-220.4,上海卓精电子科技有限公司);三头研磨机(XPM120*3,江西维克托国际矿业装备);鼓风干燥箱(DHG-9030A,上海一恒科学仪器有限公司);电热恒温箱水浴锅(HH-6,常州越新仪器制造有限公司);超声波清洗机(KM-040S,深圳市康盟清洗设备有限公司);高温箱式电阻炉(KSY-12-18A,天津中环电炉股份有限公司);综合热分析仪(449F-1,德国耐驰公司);万能力学试验机(CMT5105,深圳新三思实验机厂);场发射扫描电子显微镜(TESCAN MIRA3,捷克泰斯肯公司);X射线衍射仪(D8-ADVANCE,德国布鲁克公司)。
1.4 实验方法 以含磷氮氧生物活性玻璃(SiO2-CaO-ZnO-Na2O-Si3N4-P2O5)为基础,制备不同含量硼的基础玻璃,硼源选用B2O3,详见表1。试件制备采用有机泡沫浸渍工艺将基础玻璃制成多孔生物活性玻璃支架,模板选择高温环境(300 ℃)下可完全挥发的聚氨酯海绵,并研究不同含量B2O3对多孔生物活性玻璃支架的抗压强度、抗弯强度、降解性能和体外矿化活性的影响。
1.4.1 基础玻璃的制备 采用高温熔融法制备基础玻璃。按比例称量所需原料,放入陶瓷研钵内研磨,直至混合均匀且手捻无颗粒感,移入氧化铝坩埚内,按设定程序(自室温升至1 500 ℃、保温 2 h)于高温箱式电阻炉中烧结,后迅速将熔融态玻璃水淬、烘干,制得基础玻璃,见图1。
1.4.2 多孔生物活性玻璃支架烧成温度的确定 多孔生物活性玻璃支架的烧成温度应该在基础玻璃的软化温度与析晶起始温度的范围内选取,温度参数以综合热分析测试获得,测试仪器使用耐驰449F-1,测试气氛Ar气,升温速率10 ℃/min,从室温升温至1 200 ℃,得如下结果,见表2。
1.4.3 多孔生物活性玻璃支架试件的制备 采用有机泡沫浸渍法制备多孔生物活性玻璃支架[9]。于20 mL无水乙醇溶剂中加入质量分数56%的基础玻璃粉末、质量分数1.8%的乙基纤维素(粘接剂)、5 mL质量分数15%的聚乙二醇(分散剂),快速混匀配成理想稠稀程度的浆料;将改性后的聚氨酯海绵完全浸入浆料中,用手将其压于烧杯内壁排出过多浆料,然后在室温下干燥24 h,置于鼓风干燥箱中(设定程序80 ℃,2 h),将其放入高温箱式电阻炉中在软化温度与析晶起始温度范围内试烧,确定烧成温度,最终温度见表3(300 ℃为聚氨酯海绵完全挥发的温度),随炉冷却,制得试件(图2)。测试之前,去除有堵孔、坍塌、破损等有缺陷的试件。
1.4.4 多孔生物活性玻璃支架抗压和抗弯强度测试 利用万能力学试验机在室温干燥环境下进行测试,结果取每组5个试件的平均值。采用单轴压缩实验压10 mm×10 mm×10 mm 的立方体试件,检测试件抗压强度。采用三点弯曲实验压25 mm×5 mm×5 mm的长条形试件,检测试件的抗弯强度。参照JIS R1601标准[10],加载速率0.5 mm/min,最大载荷5.0 kN。
1.4.5 多孔生物活性玻璃支架降解性能测试 多孔生物活性玻璃支架的降解性能通过体外浸泡实验进行测试。首先,将试件浸泡在无水乙醇中于超声波清洗机中荡洗5 min,自然风干,称浸泡前干质量;以试样质量与溶液体积比为1.0 mg/mL的比例将每组各5个5 mm×5 mm×5 mm试件浸泡在装有模拟体液的聚乙烯瓶中,置于37 ℃的恒温水浴箱中,每24 h更换一次溶液。分别在1,3,7 d取出试件,去离子水和无水乙醇洗净后用鼓风干燥箱80 ℃烘干,称质量。按以下公式计算质量损失百分比。
L(%)=(m0-m1)/m0×100%
式中:L为质量损失百分比,m0为浸泡前样品干质量(g);m1为浸泡后样品干质量(g)。
1.4.6 多孔生物活性玻璃支架体外矿化活性测试 浸泡实验同降解测试,但区别是无需更换模拟体液浸泡液,在相同时间取出、冲洗、干燥试件。选取支架表面平整部分制成片状试件,贴导电胶、喷金以增强试件导电性。随后利用扫描电镜选取5个随机位置拍照,记录各组试件浸泡后的形貌与微观结构的变化;用三头研磨机将未喷金试件磨细成粉后,利用X射线衍射分析支架浸泡前后的物相组成[11-12],对于是否有体外羟基磷灰石生成的确认基于粉末衍射标准联合委员会(JCPDS-No.09-0432)[13]。
1.5 主要观察指标 各组支架的力学性能、降解性能及生物活性。
1.6 统计学分析 使用SPSS 24.0软件对所得数据进行统计学分析,计量资料用x±s表示,若数据满足方差分析条件(正态分布,总体方差齐),采用单因素ANOVA检验比较多组数据结果,进一步多重比较用LSD检验;若数据不满足方差分析条件,采用秩和检验,P≤0.05为差异有显著性意义。该文统计学方法已经内蒙古科技大学包头医学院生物统计学专家审核。