壳聚糖与海藻酸钙双相陶瓷骨支架的机械性能及细胞相容性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.08.006

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (8): 1104-1110.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.08.006

• 材料生物相容性 material biocompatibility • 上一篇下一篇

壳聚糖与海藻酸钙双相陶瓷骨支架的机械性能及细胞相容性

刘晶，胡杨，沈玉凤，何雨桐，何惠宇

新疆医科大学第一附属医院口腔修复科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830054

收稿日期:2016-01-11 出版日期:2016-02-19 发布日期:2016-02-19
通讯作者: 何惠宇，教授，新疆医科大学第一附属医院口腔修复科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830054
作者简介:刘晶，女，1988年生，河北省新乐市人，汉族，新疆医科大学在读硕士，主要从事骨组织工程支架材料方面相关研究。
基金资助:
新疆维吾尔自治区科技厅自然科学基金项目(2014211C037)：三维打印蛋白复合型陶瓷化骨及颌骨缺损修复能力的实验研究

Mechanical properties and cytocompatibility of chitosan/ or calcium alginate/ biphasic ceramic bone scaffolds

Liu Jing, Hu Yang, Shen Yu-feng, He Yu-tong, He Hui-yu

Department of Prosthodontics, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2016-01-11 Online:2016-02-19 Published:2016-02-19
Contact: He Hui-yu, Professor, Department of Prosthodontics, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Liu Jing, Studying for master’s degree, Department of Prosthodontics, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. 2014211C037

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

双相陶瓷骨：由大量羟基磷灰石和少量β-磷酸三钙经低温锻烧等工艺处理制得，具有天然骨小梁结构及多孔网状结构，不仅可为牙髓细胞重建起支架作用，还为矿化组织形成提供无机离子，具备优良的生物相容性，但机械力学性能不佳。

壳聚糖：由2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖通过β-1，4糖苷键聚合的一种天然聚阳离子生物多糖，在体内可被降解为氨基葡萄糖，被人体吸收，具有优良的生物相容性和生物可降解性，具有促进骨细胞和成纤维细胞黏附、分化和增殖，以及引导和促进骨形成的作用，但其存在强度低和在湿态环境下强度损失过快的问题。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

ORCID: 0000-0003-1918-579X(何惠宇)

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 双相陶瓷骨粉, 壳聚糖, 海藻酸钙, 骨髓基质细胞, 机械性能

Abstract:

BACKGROUND: Hydroxyapatite/β-tricalcium phosphate biphasic ceramic bone has good cell compatibility, but its mechanical properties are poor.
OBJECTIVE: To construct chitosan/ or calcium alginate/biphasic ceramic bone scaffolds and to detect their mechanical properties and cytocompatibility.
METHODS: Different concentrations of chitosan (2%, 4%, 7%, 10%) or calcium alginate (3%, 4%, 5%, 7%) were mixed with biphasic ceramic bone to prepare chitosan/biphasic ceramic bone scaffold and calcium alginate/biphasic ceramic bone scaffold. Their morphology and structure, coagulation time, anti-dissolution properties, shear force, compressive strength and cell compatibility were detected.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Coagulation time: with the concentration increase, the initial and final setting time of these two kinds of composite scaffolds were prolonged to some extent. (2) Scanning electron microscopy: these two kinds of composite scaffolds showed porous microstructures with different pore sizes. (3) Anti-dissolution properties: the calcium alginate/biphasic ceramic bone scaffold (3%, 4%, 5%, 7%) and chitosan/biphasic ceramic bone scaffold (7%, 10%) had good anti-dissolution properties in the liquid. (4) Mechanical strength: with the concentration increase, the shear force and compressive strength of the calcium alginate/biphasic ceramic bone scaffold were reduced. (5) Cell compatibility: the cytotoxicity of chitosan/ or calcium alginate/biphasic ceramic bone scaffolds was graded as 0-1 or 2-3, respectively. These results show that the chitosan/biphasic ceramic bone scaffold has better mechanical properties and cell compatibility than the calcium alginate/biphasic ceramic bone scaffold.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

刘晶，胡杨，沈玉凤，何雨桐，何惠宇. 壳聚糖与海藻酸钙双相陶瓷骨支架的机械性能及细胞相容性[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(8): 1104-1110.

Liu Jing, Hu Yang, Shen Yu-feng, He Yu-tong, He Hui-yu. Mechanical properties and cytocompatibility of chitosan/ or calcium alginate/ biphasic ceramic bone scaffolds[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(8): 1104-1110.

图/表（结果） 4

2.1 扫描电镜观察复合支架结果壳聚糖/双相陶瓷骨支架孔径呈不规则形，孔径直径30.48-207.24 μm；海藻酸钙/双相陶瓷骨支架孔径直径18.40-170.52 μm，两种支架表面和内部类似，像火山岩状，整体呈多孔支架结构，具有一定孔隙，孔隙大小不一，有利于细胞的爬入生长，见图1。

2.2 复合支架凝固时间测定结果采用单因素方差分析，壳聚糖/双相陶瓷骨支架4组间初凝时间与终凝时间比较差异有显著性意义(P < 0.05)，海藻酸钙/双相陶瓷骨支架4组间初凝时间与终凝时间比较差异有显著性意义(P < 0.05)，结果表明，随着胶体浓度的增大，各支架材料的初凝和终凝时间均有所延长，见表1。

2.3 复合支架抗溶解性检测结果在观察时间0.5-72 h内，2%壳聚糖/双相陶瓷骨支架溶解变形程度为3级，4%壳聚糖/双相陶瓷骨支架溶解变形程度为2级，7%、10% 壳聚糖/双相陶瓷骨支架溶解变形程度为1级；3%、4%、5%、7%海藻酸钙/双相陶瓷骨支架溶解、变形程度不明显，均为1 级，因此7%、10%壳聚糖/双相陶瓷骨支架与3%、4%、5%、7%海藻酸钙/双相陶瓷骨支架适宜作为支架材料。

2.4 复合支架力学强度检测结果采用单因素方差分析，壳聚糖/双相陶瓷骨支架4组间抗剪切力与抗压缩力比较差异有显著性意义(P < 0.05)，海藻酸钙/双相陶瓷骨支架4组间抗剪切力与抗压缩力比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2。

随壳聚糖浓度的增加，壳聚糖/双相陶瓷骨支架的抗剪切力与抗压缩力均呈递增的趋势，由此可见，壳聚糖浓度与壳聚糖/双相陶瓷骨支架力学强度呈正比；随着海藻酸钠浓度的增加，3%、4%、5%海藻酸钙/双相陶瓷骨支架的抗剪切力与抗压缩力呈递增的趋势，然而，当海藻酸钠浓度增大到7%时，复合支架的抗剪切力与抗压缩力均力降低，推测可能与海藻酸钠含量过高等因素有关。由此，得知伴随海藻酸钠浓度的增大，海藻酸钙/双相陶瓷骨支架的力学强度并非逐渐增强，有其局限性。

2.5 细胞增殖活力测定结果壳聚糖/双相陶瓷骨支架与骨髓基质细胞的相容性较好，细胞毒性等级为0至1级；海藻酸钙/双相陶瓷骨支架与骨髓基质细胞的相容性较差，细胞毒性等级为2至3级，但其毒性未随培养时间增加而加重。各组细胞相对增殖率见表3。

参考文献

[1] Burg KJ,Porter S,Kellam IF.Biomaterial developments for bone tissue gineering. Biomaterials. 2000;21(23): 2347-2359．

[2] Villacampa AI,Garcia-Ruiz JM.Synthesis of a newhydroxyapatite Silicacomposite material.J Crystal Growth. 2000;211:111-115.

[3] 崔杰,李征,何惠宇,等.去抗原羊椎松质骨支架微观空间结构的分析[J].中国组织工程研究, 2013,14(10): 7425-7429.

[4] 许慧芬,何惠宇.不同方法制备异种骨材料的生物相容性研究[J].中国组织工程研究与临床康复, 2011,15(47): 8749-8752.

[5] 许慧芬,何惠宇.物理联合化学或化学方法处理去抗原异种松质骨支架与骨髓间充质干细胞的细胞相容性研究[J].中国组织工程研究与临床康复,2012,16(6):958-962

[6] Qiao Y,Zhai Z,Chen I,et al.Cytocompatible 3D chitosan/ hydroxyapatite composites endowed with antibacterial properties: towards a self-sterilized bone tissue engineering scaffold.Sci Bull. 2015;60:1193-1202.

[7] 7Hutmacher DW.Scaffolds in tissue engineering bone and age．Biomaterials.2000;21(24):2529-2543．

[8] Billstrom GH,Blom AW,Larsson S,et al.Application of scaffolds for bone regeneration: current trends and future direcyions. Injury.2013;44(2):S28-S33.

[9] 邬薇薇,胡杨,何惠宇,等.BMP-2,bFGF基因转染的大鼠骨髓干细胞与牙胚细胞在体外混合培养对成牙基因的影响[J].口腔医学研究,2015,31(1):18-22.

[10] Calis M,Demirtas TT,Atilla P,et al.Estrogen as a novel agent forinduction of adipose-derived mesenchymal stem cells for osteogen?ic differentiation.Plastic Reconstr Surg. 2014;133(4):499-510.

[11] Park S,Kim JH,Kim IH,et al.Evaluation of Poly (lactic-co-glycolic Acid) Plate and Screw System for BoneFixation.J Craniofac Surg. 2013;24(3): 1021-1025.

[12] Park SH,Park DS,Shin JW,et al.Scaffolds for bone tissueengineering fabricated from two different materials by therapid prototyping technique: PCL versus PLGA.J Mater SciMater Med. 2012;23(11): 2671-2678.

[13] 袁景,甄平.骨组织工程支架的研究进展[J].医学综述, 2015,6(12):2123-2130.

[14] Mouriño V,Cattalini JP,Roether JA,et al. Compositepolymer-bioceramic scaffolds with drug delivery capability for bone tissue engineering.Expert Opin Drug Deliv. 2013;10(10):1353-1365.

[15] Thein-Han WW,Misra RD.Biomimetic chitosan— nanohydroxyapatite conlpte scaffolds for bone tissue engineering.Acta Biomater.2009;5:1182-1197.

[16] 马文渊,何惠宇,杨楠,等.海藻酸钠凝胶粘合羊椎骨支架粉末力学性能实验[J].口腔医学研究, 2013,29(6): 501-504.

[17] 胡杨,胡建江,王峰,等.海藻酸钙或聚乙烯醇双相陶瓷骨支架与牙胚细胞相容性的研究[J].中华临床医师杂志, 2015, 9(7):1168-1173.

[18] 刘杨,任力,季培红,等.海藻酸钠的提纯及海藻酸钙多孔支架的制备[J].华南理工大学学报, 2012,40(7):143-147.

[19] Zuo PP,Feng HF,Xu ZZ.Fabrication of biocompatibleand mechanically reinforced graphene oxide-chitosan nano—composite films.Chem Cent J. 2013;7(1):39.

[20] SuwanPrateeb J,Sanngam R,SuwanPreuk W.Fabrieation of bioactive hydroxyapatite/bis- GMA based composite via three dimensional Printing.J Mater Sci Mater Med. 2008;19(7):2637-2645.

[21] 刘璐,李瑞欣,张莉,等.透明质酸改性壳聚糖-胶原-羟基磷灰石复合支架力学特性及成骨细胞的增殖[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,15(38):7127-7131.

[22] van Susante JV,Buuma P,van Osch GJ,et al. Culture of chondrocytes in alginate and collagen carrier gels.Acta Orthop Scand.1995;66:549-556.

[23] Pan Z,Ding J.Poly(lactide-co-glycolide) porous scaffolds fortissue engineering and regenerative medicine.Interface Focus.2012;2(3):366-377.

[24] Drury JL,Mooney DJ.Hydrogels for tissue engineering: scaffold design variables and applications. Biomaterials. 2003;24:4337-4351.

[25] Sanzana ES,Navarro M,Ginebra MP,et al.Role of porosity and pore architecture in the in vivo bone regeneration capacity of biodegradable glass scaffolds.J Biomed Mater Res A. 2014;102(6): 1767-1773.

[26] Marsich E,Bellomo F,Turco G,et al.Nano-composite scaffoldsfor bone tissue engineering containing silver nanoparticles:preparation, characterization and biological properties.J Mater Sci Mater Med.2013; 24(7):1799-1807.

[27] 巴娇娇,何惠宇,胡杨,等.牙胚细胞体外培养过程中成牙基因的表达[J].中国组织工程研究,2014,18(2):193-198.

[28] McCullen SD,Gittard SD,Miller PR,et al.Laser ablation impartscontrolled micro-scale pores in electrospun scaffolds for tissue engi?neering applications. Ann Biomed Eng. 2011;39(12):3021-3030.

[29] 孔丽君,敖强,奚静,等.MC3T3-E1细胞在纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合支架上的增殖和分化[J].生物工程学报, 2007,23(2):262-267.

[30] Sagar N,Pandey AK,Gurbani D.In-Vivo Eficacy of Compliant 3D Nano-Composite in Critical-Size Bone DefectRepair:a SixMonth Preclinical Study in Rabbit. PLoS One. 2013;(10):e77578.

[31] Nayak D,Minz AP,Ashe S,et al.Synergistic combination of antioxidants, silver nanoparticles and chitosan in a nanoparticle based formulation: Characterization and cytotoxic effect on MCF-7 breast cancer cell lines.J Colloid Interface Sci. 2016;470:142-152.

[32] Zhong X,Song Y,Yang P,et al.Titanium Surface Priming with Phase-Transited Lysozyme to Establish a Silver Nanoparticle-Loaded Chitosan/Hyaluronic Acid Antibacterial Multilayer via Layer-by-Layer Self-Assembly. PLoS One.2016;11(1):e0146957.

[33] Yang X,Zhang C,Qiao C,et al.A simple and convenient method to synthesize N-[(2-hydroxyl)-propyl-3- trimethylammonium] chitosan chloride in an ionic liquid. Carbohydr Polym.2015;130:325-332.

[34] Li K,Wang Y,Huang M,et al.Preparation of chitosan-graft-polyacrylamide magnetic composite microspheres for enhanced selective removal of mercury ions from water.J Colloid Interface Sci. 2015;455:261-270.

[35] Li X,Zhou H,Wu W,et al.Studies of heavy metal ion adsorption on chitosan/sulfydryl-functionalized graphene oxide composites.J Colloid Interface Sci. 2015;448:389-397.

[36] Francis R,Baby DK,Gnanou Y.Synthesis and self-assembly of chitosan-g-polystyrene copolymer: a new route for the preparation of heavy metal nanoparticles.J Colloid Interface Sci. 2015;438: 110-115.

引言

现阶段研究表明，组织工程骨的构建由3个基本要素构成，种子细胞、发育调控因子及网络支架材料。支架材料、黏结剂的生物相容性和力学性能研究滞后，限制了组织工程骨研发的进展。理想骨组织工程支架材料须具备的基本要求包括：良好的生物相容性；骨传导性和骨诱导性^[1]；可降解性；合适的孔径及孔隙率；表面微环境；可塑性和机械强度。现阶段用于构建组织工程骨支架的材料有羟基磷灰石材料等。羟基磷灰石是骨骼的主要成分，有均匀的孔径分布和较大的表面积，为细胞生长、组织再生及血管化提供条件，但其力学性能差，脆性大，抗弯强度低，生理环境中的抗疲劳与抗破坏强度不高^[2]，且在体内的降解速率较慢，难以满足骨组织工程支架的要求。因此，选择适宜的方法以改进羟基磷灰石类支架材料的生物相容性、力学性能及降解速率，成为现阶段组织工程骨研发的重点。

双相陶瓷骨系羟基磷灰石和少量β-磷酸三钙构成，现阶段研究证实其细胞相容性较好，但机械力学性能不佳^[3-5]。壳聚糖是天然有机高分子材料，具有促进骨细胞和成纤维细胞黏附、分化和增殖，以及引导和促进骨形成的作用^[6]，但其存在强度低和在湿态环境下强度损失过快的问题^[7]。海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取的一种碳水化合物，是美国食品药品管理局(FDA)批准用于生物医学领域的天然生物材料之一，其分子中含有能与多种金属离子反应形成凝胶的羧基和羟基，并且具有良好的生物相容性、生物降解性和可塑性，因此在组织修复材料、生化药物控制释放载体、细胞免疫隔离等组织工程领域越来越受到人们的关注^[6-8]。

由此，本实验将双相陶瓷骨分别与壳聚糖、海藻酸钠有机结合，以期改进双相陶瓷骨的机械力学性能及细胞相容性，构建符合组织工程骨的新型支架材料。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计对比观察实验。

1.2 时间及地点实验于2014年6月至2015年7月在新疆医科大学第一附属医院科研中心、感染与免疫共建实验室完成。

1.3 材料新疆地产两三岁龄绵羊椎骨8-13节若干。出生4周SD大鼠3-5只，清洁级，体质量120-180 g，由新疆医科大学医学实验动物中心提供，实验动物生产许可证编号SCXK(新)2003-0001。

1.4 实验方法

双相陶瓷骨粉的制备：剔除羊椎骨骨密质及软组织等，仅保留椎体松质骨，制成约0.5 cm³大小骨块，流动水下冲洗至无血渍，放入体积分数30%双氧水中荡洗20 min，4 ℃冰箱浸泡24 h；体积分数75%乙醇冲洗5 min，放入甲醇与氯仿体积比为1∶1的混合液中荡洗20 min，4 ℃冰箱浸泡24 h，放入体积分数0.009%焦磷酸钠中，取出后自然干燥，放入茂福炉以10 ℃/min持续升温达1 000 ℃时，自然冷却至室温后取出，经磨粉仪器得粉末，过200目标准筛过滤，制得陶瓷骨粉。

壳聚糖胶体的制备：配置2%醋酸溶液；分别称取0.2，0.4，0.7，1 g的壳聚糖粉末(Sigma，美国)，加入10 mL醋酸溶液中磁力搅拌1 h，待粉末完全溶解后，静置12 h以排出气泡，制得2%、4%、7%、10%的壳聚糖凝胶。

海藻酸钠胶体的制备：分别称取0.3，0.4，0.5，0.7 g的海藻酸钠粉末(Sigma，美国)，与10 mL超纯水在三角烧瓶中混合，70 ℃水浴加热，同时搅拌30 min，静止20 min，重复2遍，直至完全溶解，震荡排除气泡，制得3%、4%、5%、7%的海藻酸钠凝胶。

壳聚糖/双相陶瓷骨复合支架的制备：将4组不同浓度壳聚糖凝胶与双相陶瓷骨按照1 mL∶0.1 g的比例混合，干燥成型，用牙科手机制备成同样大小体积样本备用。

海藻酸钙/双相陶瓷骨复合支架的制备：将4组不同浓度的海藻酸钠凝胶与双相陶瓷骨按照1 mL∶0.1 g 的比例混合，干燥成型，制得3%、4%、5%、7%的海藻酸钠/双相陶瓷骨复合支架。将4组不同浓度海藻酸钠/双相陶瓷骨复合支架浸入1.0 mol/L CaCl₂溶液中48 h，超纯水反复冲洗3次后，-80 ℃冰箱冷冻24 h；在茂福炉中120 ℃煅烧20 min，自然冷却，用牙科手机制备成同样大小体积样本备用。

1.5 主要观察指标

扫描电镜观察复合支架：将各组材料表面及横断面真空干燥、表面喷金后，分别于100倍、200倍扫描电镜(joel jsm6390lv，日本)下观察，观测其表面形貌及自然孔径。

凝固时间测定：采用Gill more 双针法(轻针113.4 g、直径2.13 mm；重针454.6 g、直径1.2 mm)测定复合支架的初凝时间和终凝时间，每组支架6个，记录轻针留下痕迹的时间和重针留下痕迹的时间。

抗溶解性检测：将复合支架完全浸润在超纯水中，分别于30 min、1 h、3 h、6 h、24 h、48 h、72 h用探针观测支架溶解分级。将材料溶解变形程度分为3级，Ⅰ级，材料表面无明显溶解，无明显变形；Ⅱ级，材料表面溶解，中央未溶解，变形不明显；Ⅲ级，材料表面及中央发生溶解，变形严重。

力学强度检测：①剪切强度：将复合支架制备成直径为10 mm、厚0.5 mm的圆形薄片，每组5个样本，放入电子式万能试验机（WDW-20，济南方辰仪器设备有限公司），以0.05 mm/min速度，检测各组支架的抗剪切力。②压缩强度：将材料制备成直径10 mm、高10 mm的圆柱形，每组5个样本，放入电子式万能试验机，以0.05 mm/min速度检测各组支架的抗压缩力。

复合支架体外细胞毒性实验：①复合支架材料浸提液的制备：按照S010993-1 标准要求按将复合支架在含有体积分数10%胎牛血清(美国 HyClone公司)、1%青链霉素混合液的低糖DMEM培养基(美国 HyClone公司)中浸提，浸提比例为1 mL/1 cm³，于37 ℃、体积分数5%CO₂培养箱中浸提24 h，获得支架浸提液，过滤除菌后4 ℃保存待用。②大鼠骨髓基质细胞的培养：参考文献[9-10]分离培养SD大鼠骨髓基质细胞，鉴定后接种入培养基含体积分数10%胎牛血清、1%青链霉素混合液的低糖DMEM培养基中，于37 ℃、体积分数5%CO₂培养箱中孵育培养。③细胞毒性检测：取第3代鼠骨髓基质细胞，以2×10⁷ L^-1的细胞浓度接种到96孔板中，每孔100 mL，培养24 h后细胞完全贴壁，弃原培养基，更换为各浓度的复合支架浸提液100 μL，每组复合支架设5个孔，以完全单纯培养基培养的为阴性对照组，继续37 ℃、体积分数5%CO₂培养箱中培养，分别于1，3，5 d取出培养板，采用CCK-8法测定细胞活力。依据ISO10993.5- 1999及GBT16886.J-2003标准，计算出相对增殖率并评价支架的细胞毒性，细胞相对增殖率=各浓度实验组吸光度值/阴性对照吸光度值×100%，当细胞相对增殖率≥100%时，毒性为0级；在75%-99%之间，毒性为1级；在50%-74%之间，毒性为2级；在25%-49%之间，毒性为3级；在1%-24%之间，毒性为4级；0，毒性为5级。

1.6 统计学分析采用SPSS 14.0软件对各组、各时间点的数值进行单因素方差分析，以P < 0.05表示差异有显著性意义，结果用x(_)±s表示。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

目前，骨组织工程为临床骨缺损修复提供了良好的前景^[8]，但现有研究尚未发现一种支架材料，既能满足机械强度要求又同时兼备良好的生物相容性及合适的生物降解速度^[11-12]，因此，设想构建一种适用于临床骨缺损修复的新型支架材料。现阶段，组织工程骨的支架材料可分为磷酸钙生物陶瓷支架、生物玻璃可吸收支架、聚合物支架、复合材料支架、金属支架、第3代支架(负载细胞和生长因子支架、负载生长因子、药物和基因载体支架、负载基因载体支架)^[13]。羟基磷灰石、磷酸钙和β-磷酸三钙类等无机支架材料已被应用在颌骨缺损临床治疗领域，虽然具备良好的生物活性和骨引导作用，但在机械性能方面有自身脆性和硬度不足的缺点^[14]。有机物壳聚糖是天然多糖中惟一的碱性多糖，具有良好的柔韧性与延展性，无毒、无味、无免疫抗原反应，有良好的生物相容性和生物降解性，同时其降解又可为细胞及组织的长入提供空间，从而促进新骨的生成^[15]。因此，本实验将壳聚糖、海藻酸钠分别与双相陶瓷骨粉复合，探究构建组织工程骨支架材料的可能性。马文渊等^[16]分别将海藻酸钠凝胶与羊椎骨支架材料、聚乙烯醇凝胶与羊椎骨支架材料回植裸鼠体内，观察结果显示海藻酸钠凝胶支架材料在短期开始吸收，生物相容性良好，“短期吸收”时间符合颌骨重建修复的需求，聚乙烯醇凝胶组短期无吸收。本课题组以往研究证实，海藻酸钙/双相陶瓷骨支架细胞相容性较好，但其机械性能仍需改进^[17]。

基于以上研究，本实验将壳聚糖、海藻酸钠分别与双相陶瓷骨粉复合，构建组织工程骨支架材料，实验结果证实，3%、4%、5%、7%海藻酸钠制备海藻酸钙/双相陶瓷骨支架材料和7%、10%的壳聚糖/双相陶瓷骨支架在液体环境中的抗溶解性良好；随着海藻酸钠和壳聚糖胶体浓度的增大，复合支架的初凝和终凝时间均有所延长；海藻酸钙/双相陶瓷骨支架的抗剪切力在一定范围内随着海藻酸钠胶体浓度的增加而增大，与国内学者刘杨等^[18]研究结果接近，壳聚糖浓度与壳聚糖/双相陶瓷骨支架材料强度呈正比，即复合支架的机械强度随着胶体浓度的增加呈增大趋势^[19-20]；扫描电镜观察两组支架材料表面和内部均形似火山岩状，呈多孔状支架结构，孔隙呈不规则形、大小不一，具备细胞爬入的孔隙，适宜作为支架材料^[20-22]。然而，细胞增殖-细胞毒性检测显示，海藻酸钙/双相陶瓷骨支架细胞相容性较差，细胞毒性仍为2至3级，需要进一步改进实验工艺，以求降低其细胞毒性。壳聚糖/双相陶瓷骨支架细胞毒性较低，证明壳聚糖这种天然生物材料的生物相容性良好^[23-36]。然而，壳聚糖/双相陶瓷骨支架与海藻酸钙/双相陶瓷骨支架在动物体内的降解速率及机制有待在将来进一步深入探究。

本实验证实壳聚糖/双相陶瓷骨支架材料具有较优异的力学强度及细胞相容性，有望作为新型组织工程骨支架，在将来用于治疗临床颌骨及长骨类缺损。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

壳聚糖与海藻酸钙双相陶瓷骨支架的机械性能及细胞相容性

Mechanical properties and cytocompatibility of chitosan/ or calcium alginate/ biphasic ceramic bone scaffolds

PDF

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 4

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	李黎, 马力. 磁性壳聚糖微球固定化乳糖酶及其酶学性质[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 576-581.
[2]	刘鋆, 杨龙, 王伟宇, 周玉虎, 吴颖, 卢涛, 舒莉萍, 马敏先, 叶川. 聚3-羟基丁酸酯4-羟基丁酸酯/聚乙二醇/氧化石墨烯组织工程支架的制备和性能评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3466-3472.
[3]	李鑫平, 崔秋菊, 曾曙光, 冉高英, 张兆强, 刘显文, 方炜, 徐帅妹. β-磷酸三钙/壳聚糖水凝胶改性对牙髓干细胞生长与矿化的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3493-3499.
[4]	周安琪, 唐渝菲, 吴秉峰, 向琳. 骨膜组织工程设计：共性与个性的结合[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3551-3557.
[5]	郎丽敏, 何生, 姜增誉, 胡奕奕, 张智星, 梁敏茜. 导电复合材料在心肌梗死组织工程治疗领域的应用进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3584-3590.
[6]	陈思宇, 李燕楠, 颉丽英, 刘司麒, 范玉蓉, 房昌星, 张鑫, 权家宇, 左琳. 负载碱性成纤维细胞生长因子温敏性壳聚糖-胶原复合水凝胶可减缓小鼠心肌梗死后心室的重构[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2472-2478.
[7]	刘冯, 张瑜, 王燕丽, 骆威, 韩超珊, 李杨欣. 温敏型壳聚糖水凝胶包封外泌体在缺血性疾病中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2479-2487.
[8]	李洁, 许楗桢, 胡萍, 雷琪琪, 张文柠, 敖宁建. 用于慢性伤口羧甲基壳聚糖/氧化葡甘聚糖/三七总皂苷复合海绵的制备及性能评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2528-2534.
[9]	解健, 苏俭生. 静电纺丝取向纳米纤维作为组织工程生物支架的优势与特征[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2575-2581.
[10]	纪琦, 喻正文, 张剑. 3D打印金属基生物材料工艺和临床应用的问题与趋势[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2597-2604.
[11]	宋涯含, 吴云霞, 范道洋. 基于VOSviewer生物医学领域3D打印的知识图谱分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(15): 2385-2393.
[12]	钱楠楠, 张潜, 杨睿, 敖俊, 章涛. 间充质干细胞治疗脊髓损伤：细胞治疗及联合新药和生物材料[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(13): 2114-2120.
[13]	罗雅馨, 毕浩然, 陈晓旭, 杨琨. 细胞外基质与组织的再生与修复[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(11): 1785-1790.
[14]	贾巍, 张满栋, 陈维毅, 王晨艳, 郭媛. 股骨假体材料对人工膝关节置换性能的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1477-1481.
[15]	王倩, 李璐, 舒静媛, 董志恒, 靳友士, 王青山. 氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度生物材料的微观形貌和物相分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1517-1521.