新型骨組織工程支架材料βTCPCPPFPLLA的性能觀察

1、新型骨組織工程支架材料TCP/CPPF/PLLA的性能觀察    新型骨組織工程支架材料TCP/CPPF/PLLA的性能觀察作者：李毅，張珍妮，陳君長，王坤正，郭雄，石宗利，同志超，楊團民 【摘要】 目的： 研究新型骨組織工程支架材料TCP/CPPF/PLLA的降解性能及生物相容性. 方法： 將試樣真空干燥至恒重后放入盛有人工降解液的試管中，在37下密閉降解，用掃描電鏡觀察材料的微觀結(jié)     作者：李毅，張珍妮，陳君長，王坤正，郭雄，石宗利，同志超，楊團民 < 【摘要】 目的： 研究新型骨組織工程支架材料T

2、CP/CPPF/PLLA的降解性能及生物相容性. 方法： 將試樣真空干燥至恒重后放入盛有人工降解液的試管中，在37下密閉降解，用掃描電鏡觀察材料的微觀結(jié)構(gòu). 將骨髓基質(zhì)細胞（BMSCs）與材料復(fù)合構(gòu)建人工骨，在體外培養(yǎng)3，7 d后，掃描電鏡觀察骨髓基質(zhì)細胞在材料上的附著及生長情況. 結(jié)果： 降解后的材料仍然具有三維網(wǎng)狀的立體結(jié)構(gòu)，掃描電鏡(SEM)見在材料表面及內(nèi)部有大量細胞正常生長. 結(jié)論： TCP/CPPF/PLLA骨組織工程支架復(fù)合材料具有合理的微孔直徑、較高的孔隙率，良好的降解性及生物相容性，基本滿足骨組織工程的要求. 【關(guān)鍵詞】 組織工程；骨和骨組織；支架(骨科)；生物相容性；降解性

3、 【Abstract】 AIM: To study the biocompatibility and degradation of a newtype bone tissue engineering scaffold TCP/ CPPF/PLLA composite. METHODS: The scaffold specimens were immersed in Hanks liquid after vacuum drying to original weight and degradated tightly for 15 weeks at 37. The microstructure an

4、d the objective bapertur of the scaffold composites were observed with scanning electron microscope(SEM). Bone marrow stromal cells(BMSCs) were seeded onto threedimensional porous TCP/CPPF/PLLA scaffolds to construct tissue engineering bone, which was cultured for 3 and 7 d in vitro. The growth, adh

5、esiveness, proliferation and differentiation of cells at the surface of and inside the scaffold were observed by SEM. RESULTS: This scaffold got degradated obviously after the specimens were immersed in physiological saline for 15 weeks, and still had 3 dimensional, interconnected, microhole network

6、 structure of cross sections under SEM. SEM observation revealed that the growing BMSCs showed normal morphology at the surface of or inside the scaffold. CONCLUSION: The TCP/CPPF/PLLA scaffold composites have a threedimensional network structure with reasonable micropore diameter, high porosity, sa

7、tisfactory degradation ability, and good biocompatibility. This scaffold may be regarded as a novel material to meet the elementary requests of bone tissue engineering. <<2.2支架材料 細胞復(fù)合物掃描電鏡觀察培養(yǎng)35 d在材料表面有大量細胞貼附生長，呈圓球形，并有不規(guī)則突起(圖2，3). 斷面剖開后觀察，見材料內(nèi)部有大量細胞貼附生長，呈圓球形，細胞被分泌的膠原基質(zhì)包裹，在微孔壁及邊緣密集分布，部分區(qū)域細胞堆積(圖

8、4). 3討論 3.1支架材料的特性 在骨組織工程支架材料研究中，無機材料主要指生物活性陶瓷，優(yōu)點是生物相容性好，降解速度可調(diào)控，可加工成多孔支架，缺點是塑形難，脆性大；有機高分子材料優(yōu)點是具有良好的生物相容性和可降解吸收性，易于加工、塑形和消毒，缺點是易引起炎癥反應(yīng)、強度低、受力時易變形，易損傷種植細胞. 為克服上述材料單獨使用時的缺點，近年來支架材料研制中的一個新方向是將有機材料同無機材料復(fù)合，把堿性物質(zhì)，如磷酸鈣, HA, TCP等引入人工合成聚合物PLLA, PDLA中，有助于防止聚合物降解引起的pH值下降及無菌性炎癥，同時合成的聚合物如PLLA也有助于改善陶瓷類材料的脆性，PLLA的

9、強度也得以提高3. TCP是生物相容性最好的骨組織替代材料之一，對蛋白或細胞吸附性好，形成利于細胞生長的微堿性環(huán)境，易克服PLLA降解引起的pH值下降，并降解出骨組織所需要的元素（Ca2，PO43-），有利于成骨細胞表型等4. CPPF具有良好的組織與細胞生物相容性，其降解產(chǎn)物為磷酸鈣，降解后能中和局部的酸堿度，使pH值基本維持在中性，國內(nèi)外已開始了將其作為骨替代材料的研究5-6. 聚乳酸（包括PLLA, PDLA）在體內(nèi)的降解產(chǎn)物乳酸進入三羧酸循環(huán)后，最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O7，易于代謝和排出體外. 然而其降解產(chǎn)物引起材料周圍pH值的降低，反過來可以加速聚合物的降解速率及引起炎癥反應(yīng)；其又是

10、疏水性高分子材料，表面缺乏細胞識別信號，成骨細胞難于在其表面黏附與增殖8，研究表明未經(jīng)過表面處理的聚乳酸植入骨缺損區(qū)后是通過纖維組織與周圍的骨組織結(jié)合，骨傳導(dǎo)能力較弱，常需要引入其他物質(zhì)來改善材料性能9-10. <本實驗我們選用PLLA為基質(zhì)材料，以高強度模量可設(shè)計降解吸收速率的CPPF和TCP顆粒為增強材料，制備了TCP/CPPF/PLLA骨組織工程支架復(fù)合材料. SEM下可以看出支架材料為高孔隙率的三維網(wǎng)狀、連通微孔結(jié)構(gòu). 體外降解實驗證實，15 wk左右該材料就能明顯的降解，仍維持三維連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu). <    新型骨組織工程支架材料T

11、CP/CPPF/PLLA的性能觀察(2)3.2 支架材料 生物相容性BMSCs作為骨組織工程中的主要種子細胞，承擔(dān)著骨的修復(fù)和改建功能，將其接種在生物材料，觀察其在材料表面和內(nèi)部的形態(tài)及功能變化，可客觀反映該替代材料的細胞相容性，較之其它細胞如成纖     3.2支架材料 生物相容性BMSCs作為骨組織工程中的主要種子細胞，承擔(dān)著骨的修復(fù)和改建功能，將其接種在生物材料，觀察其在材料表面和內(nèi)部的形態(tài)及功能變化，可客觀反映該替代材料的細胞相容性，較之其它細胞如成纖維細胞更靈敏可靠. 我們在既往研究的基礎(chǔ)上，將BMSCs體外培養(yǎng)、擴增，并誘導(dǎo)為成骨細胞表型，將

12、其接種在TCP/CPPF/PLLA復(fù)合材料上，行體外復(fù)合培養(yǎng)，構(gòu)建骨組織工程人工骨. 觀察到BMSCs可以在TCP/CPPF/PLLA復(fù)合材料表面附著并增殖良好，細胞分泌大量細胞外基質(zhì)并連接成網(wǎng)，在材料內(nèi)部也有大量細胞貼附生長，呈圓球形，細胞被分泌的膠原基質(zhì)包裹，在微孔壁及邊緣密集分布，部分區(qū)域細胞堆積. 這說明BMSCs與TCP/CPPF/PLLA復(fù)合材料之間具有良好的相容性. 復(fù)合材料三維聯(lián)通網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，能為組織細胞的生長繁殖、提供適宜的營養(yǎng)空間和排泄交換條件，有利于BMSCs發(fā)揮特定的生理功能. 當(dāng)然，體外實驗并不能完全反映出該材料長期植入體內(nèi)可能發(fā)生的生物學(xué)反應(yīng)，因此有必要以體內(nèi)實驗

13、加以完善. 本文結(jié)果證實該TCP/CPPF/PLLA骨組織工程支架復(fù)合材料具有合理的微孔直徑、較高的孔隙率，對BMSCs的增殖、分化及分泌功能均無明顯影響，具有較好的細胞黏附能力，生物相容性良好，基本滿足骨組織工程的要求. < 【參考文獻】 1Langer RS, Vacanti JP. Tissue engineering: The challenges aheadJ. Sci Am, 1999,280(4):86-89. 2李毅，陳君長，王坤正，等. 兔骨髓基質(zhì)細胞同種異體移植修復(fù)骨缺損的實驗研究J. 陜西醫(yī)學(xué)雜志，2004,33（5）：387-389. <3Agrawal C

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16、. <8Kellomaki M, Niiranen H, Puumanen K, et al. Bioabsorbable scaffolds for guided bone regeneration and generationJ. Biomaterials, 2000, 21(24):2495-2505. <9Gogolewski S, Pineda L, Busing CM. Bone regeneration in segmental defects with resorbable polymeric membranes: IV. Dose the polymer chemical composition affect the healing process? J. Biomaterials, 2000, 21(24):25