周爱芳[1]2003年在《生物陶瓷体内降解过程模拟与可视化研究》文中进行了进一步梳理作为与人体骨生物相容性最好的骨缺损修复材料之一，多孔磷酸叁钙生物陶瓷(β—TCP)能诱发或允许邻近骨组织生长，其本身可逐渐降解而被新骨取代，从而达到治疗的目的。通过研究β—TCP的降解特性和骨化机制，采用C++和ACIS实现叁维降解仿真软件的编制，将这一动态降解过程显示出来，不仅可以全面、细致地观察和研究材料在人体内这一复杂环境下的变化过程，而且能够分析其降解性能是否良好，从而为研制与开发新型功能材料提供理论依据。通过以上研究，得出的结论如下： 1．本文在深入认识材料降解机理的基础上，对其降解过程的二维仿真模型作进一步研究，结合材料的降解特性，利用Monte Carlo方法建立符合生物材料降解过程的叁维仿真模型，并通过计算降解度以及相关参数检验此仿真模型的合理性。 2．研究了材料晶粒长大与材料降解之间的关系，并对多晶材料晶粒长大模型进行研究，认为材料降解过程是晶粒在复杂生理环境下的逐步萎缩和被吞噬，最后完全消失，被新的组织所代替，这一过程正好与晶粒生长过程相反，二者在模型建立和仿真算法的实现等方面有着内在联系。 3．应用晶粒长大理论建立材料降解的理论模型，实现了生物材料降解仿真算法以及过程模拟。降解模拟运行结果表明，材料与原骨边界上首先出现了显微结构的变化，证明了新骨首先是沿着边界生长这一论断。 4．文中所建立的叁维降解可视化仿真模型可以灵活地获取截面并通过截面分析，将模拟结果与实验研究结果进行对比，证明仿真模型的正确性。
陈作炳[2]2004年在《人工关节CAD/CAM相关理论及其关键技术研究》文中指出人工关节种类繁多，每位患者的关节形状和尺寸也不相同，目前人工关节主要是进行标准化系列化生产。标准系列化的人工关节产品，由于人工关节柄与骨髓腔不能形成紧密的解剖匹配，从而使负荷传递、应力分布不均，容易导致手术后的并发症，降低人工关节的使用寿命。将CAD／CAM技术应用于人工关节和人造骨的外形以及微观仿生设计、制造和模拟生物材料在生物体内的降解过程，使得个性化人工关节的设计、制造以及应用成为现实。从而可实现人工关节与患者股骨解剖结构匹配，在几何学和力学上实现了针对单个患者的最优设计，植入区应力分布得到良好的控制，人工关节获得了最佳固定，使患者的关节功能获得最好的恢复。这不仅可以极大地减轻患者痛苦，而且提高了手术的成功率和治疗效果。 本文针对人工关节CAD／CAM系统中的一些共性问题和关键技术开展了研究，内容涉及医学图像处理与分析、人工关节叁维重建的理论与方法、基于RP技术的人工骨仿生设计与制造以及生物材料在生物体内降解过程的模拟研究。同时开发了一个基于医学图像处理、叁维重建、快速成型技术以及生物材料降解模拟的人工关节CAD／CAM系统。通过对这些方面重点和系统的研究，主要研究内容和结论如下： 1．实现了对符合DICOM协议的CT文件解码，对获得的人体关节CT文件图象进行图象处理，实现了以CT值为特征值的K-均值聚类分割以及基于B样条的轮廓提取和矢量化方法，建立了基于断层图象轮廓数据的叁维数据场。 2．研究了人工关节叁维几何重建中的关键技术，根据生物体的几何形状具有连续性和完整性的特点，提出采用重合度最大和形状特征点几何变换的内定位法。并对内定位法进行了改进，取得了较好的效果。 3．论述了Marching Cubes算法抽取等值面的基本原理与实现方法。针对MC算法数据量大和显示速度慢的不足，提出采用边界跟踪确定边界立方体和采用立方体棱边的中点代替叁次插值计算作为叁角片的顶点，减少处理的立方体数量和计算时间，提高了显示和重建的效率。 4．首次尝试将分形理论运用于人体骨微观结构建模之中，提出了基于分形武汉理工大学博士学位论文人工关节CAD/C胡相关理论及其关键技术研究理论和蒙特卡洛方法的人体骨仿生微观结构设计的算法。该方法能有效地描述人体骨多连通非均质细胞载体框架以及人体骨仿生微观结构设计和建模技术，并在可视化环境下设计人工骨支架的叁维结构。 5.开发出适用于生物陶瓷人工关节的CAD/CAM接口软件，能自动生成STL文件，并采用双向链表数据结构，对STL数据模型进行分段切片处理，提高实时切片效率，为人工骨的结构设计和快速成型制造联结了一座桥梁。 6.研究了材料的晶粒长大与材料降解之间的关系，应用晶粒长大理论，建立了材料降解的理论模型，同时对六边形细胞模型进行了研究。 7.首次提出并建立了生物材料降解叁维模型及其模拟算法，实现了生物材料降解过程的可视化仿真，并将模拟结果与实际研究结果进行对比，两者具有较好的相关性，证明了生物材料在体降解过程的模型的合理性。为仿真模型应用于生物材料的优化设计与新材料研究提供了科学手段和方法。 8.开发了以项目管理为中心的个性化人工关节的CAD/CAM系统，给出了系统的结构框架，并对各功能模块进行了定义。提出应用面向对象技术对系统中的数据进行组织，建立相应的数据结构，从而能很好地描述人工关节CAD/CAM系统数据的结构层次。关键词:人工关节，图象处理，图象分割，叁维几何重建，仿生设计与制造， 降解过程模拟，CAD/CAM
李继彦[3]2013年在《基于磷酸钙骨水泥的多孔微球的制备及结构与性能》文中研究表明因外伤、感染和肿瘤等造成的骨组织缺损是临床上的常见病症，自体骨和异体骨是常用的骨修复材料。但自体骨来源有限以及异体骨存在的免疫排斥反应限制了它们的应用。所以如何构建具有良好的生物相容性、生物应答特性、基因激活特性和促进新生组织形成功能的生物材料受到广泛的关注。微球具有良好的流动性，并且微球堆积体的孔隙连通性非常优异，有利于骨缺损部位的填充和修复。传统的陶瓷微球需要经高温烧结，不利于负载药物和生物活性成分，以高分子为基体的微球缺乏骨传导性和骨诱导性。针对上述问题，本研究以磷酸钙骨水泥为原料，分别采用液滴冷凝法和挤出-滚圆法制备了粒径可控的多孔磷酸钙微球，并对微球进行改性处理，提高微球的强度、抗崩解性、降解性、细胞相容性和骨诱导性等方面的性能。为了提高本研究制备的微球的细胞生物学性能，本研究首先采用聚乙二醇（PEG）水溶液对磷酸钙骨水泥固化体进行表面改性。经PEG处理后，骨水泥固化体表面被规则的片状结晶覆盖，形成规则片状结晶的原因主要是PEG的加入一方面提高了溶液的离子浓度，从而减缓溶液中离子的扩散速度；另一方面PEG与钙离子螯合，减慢了羟基磷灰石的结晶速度。MC3T3-E1细胞实验结果表明这种规则片状拓扑结构有利于细胞粘附、增殖和分化。通过液滴冷凝法制备了粒径在0.3～3mm可控的磷酸钙微球。通过滴重法，从理论上探讨了各因素对微球粒径的影响。随着液固比的变化，微球的总孔隙率介于40%～60%，显孔隙率介于20%～60%，孔隙之间连通性良好。由于研究发现硅酸钙具有优异的矿化性和骨诱导性，所以，在微球中添加一定量的硅酸钙以改善微球的理化性能和成骨能力。微球强度随着硅酸钙添加量的增大先提高后降低，当硅酸钙添加量为20%时，微球的强度是不添加硅酸钙的微球2倍。复合硅酸钙的微球在PBS中浸泡2周仍未出现明显的崩解现象，比不含硅酸钙的微球的抗崩解时间提高了10倍。细胞实验结果表明，添加20%硅酸钙的微球比不含硅酸钙的微球细胞相容性好，可以促进细胞的增殖。兔子股骨缺损修复实验结果表明，微球的组织相容性良好，植入4周时微球被纤维组织和骨组织包裹，并且周围有血管生成；随着植入时间延长至8周，微球内部出现纤维组织和少量的新骨，微球完全被骨组织包裹；16周时各微球样品内外都有大量的骨组织，骨母细胞和骨细胞数量明显下降，这说明骨的成熟度提高。兔子背部竖脊肌8周的植入实验结果表明，微球（d=2mm）间的孔隙有利于血管化。微球的体内植入实验结果还发现硅酸钙的添加促进了微球的体内降解，但添加量过大会使微球因在体内降解过快从而影响微球的骨传导性。适当的添加量是利用硅酸钙改善微球强度和成骨性能的关键。挤出-滚圆技术很少被用于无机复合微球的制备，本研究以壳聚糖为赋形剂，磷酸钙骨水泥为主要原料，通过挤出-滚圆的方法制备了粒径均一，抗崩解性良好的磷酸钙微球。挤出-滚圆法可以制备粒径在0.3～3mm可控的微球，效率高，微球圆度好。挤出-滚圆过程中在机械力的作用下，微球内磷酸钙原料颗粒之间接触更加紧密，赋性剂只是填充在磷酸钙原料颗粒之间，不影响磷酸钙骨水泥的水化结晶，所以水化后以针棒状结晶为主。微球的抗崩解性优异，在PBS中浸泡2周仍没有明显的崩解现象；微球强度接近松质骨。通过PEG溶液浸泡后，微球表面被规则片状结晶所覆盖，微球内小于100nm的微孔所占比例增大，100～1000nm的微孔所占比例减小，结晶形貌的变化改变了微球内孔径分布的分布。细胞实验结果表明规则片状形貌促进了细胞的增殖。为了满足大块骨缺损的填充修复，通过真空浸渍的方法，以PLGA为粘结剂，制备了磷酸钙微球支架。CT结果显示磷酸钙微球支架的平均孔隙率为35.36%±1.18%，孔隙连通性良好，微球之间孔隙基本保留下来。采用过程法对微球堆积过程进行模拟，模型的平均孔隙率是40.3%±0.11%，孔隙完全连通。连通的孔隙结构有利于新骨组织的长入，同时也有利于营养物质的输送和代谢物的排出。
许秀娟[4]2007年在《聚L-乳酸（PLLA）/β-磷酸叁钙（β-TCP）复合多孔骨支架材料的制备及性能研究》文中研究指明骨组织工程支架材料一直是生物材料领域的研究热点之一。作为骨组织修复重建的组织工程载体材料，要求其具有良好的生物相容性，可控的生物降解性，适当的叁维连通气孔立体结构，一定的机械强度和良好的细胞粘附特性。传统的β-磷酸叁钙(β-tricalcium phosphate，β-TCP)生物陶瓷材料，具有良好的生物相容性、耐腐蚀等优点，其成分与骨矿物组成类似，但单独作为骨修复材料使用时，β-TCP存在脆性大、韧性差及模量过高等缺陷，限制了它在骨科方面的临床应用。聚乳酸作为骨修复材料，具有良好的生物相容性和生物降解性能，但其机械强度较差，且降解产物呈酸性，易引起体内炎症反应。为了满足骨组织修复材料的力学性能和生物学性能要求，本研究选用β-TCP与具有良好生物相容性和生物降解性的聚乳酸(PLLA)复合，制备PLLA／β-TCP多孔支架材料，并对这种支架材料的性能进行研究，为其在骨组织工程中的应用进行初步探讨。1、本文首先采用溶剂自扩散原理从聚L-乳酸(PLLA)／β-磷酸叁钙(β-TCP)氯仿溶液中沉积得到PLLA／β-TCP复合颗粒，研究了不同扩散介质对该过程的影响。研究表明制备复合颗粒以丙酮／无水乙醇混合液为扩散介质沉积速率快、沉积充分，且得到的复合颗粒可以经模压成型、粒子沥滤工艺制备PLLA／β-TCP多孔复合支架。对多孔支架进行了有机溶剂残留量测试，结果表明制备的多孔支架中氯仿、丙酮、无水乙醇残留量分别为36.30ppm，2.07ppm，25.17ppm，满足组织工程支架材料要求。致孔剂粒径、致孔剂用量、PLLA／β-TCP配比及成型压力对支架的性能都有重要影响。本研究采用正交设计对成型工艺进行了优化，讨论了上述四因素对支架材料性能的影响。结果表明：当PLLA∶β-TCP=1∶2，成型压力5MPa，致孔剂粒径125～400μm，用量80wt％时是制备支架的最佳工艺条件，该条件下制备的支架材料孔结构叁维贯通、抗压强度4.45 MPa、孔隙率60.7％，适合用作骨组织工程支架材料。2、将制得的支架材料浸泡在SBF液中，研究支架材料在静态、动态两种条件下的降解性能。测试材料吸水率、质量变化率、孔隙率变化、机械强度、分子量变化等，作扫描电镜(SEM)观察，以及IR和XRD光谱分析。结果表明所有的支架材料在浸泡24周后均能基本维持外形，支架表面都发现有类骨羟基磷灰石的形成，并逐渐由表面向内孔生长；且可通过调节β-TCP与PLLA的含量来调节支架的降解速度。降解24周后，材料的孔隙率、强度均有不同程度的降低，质量随时间不断增加。3、分别用犬的骨髓间充质干细胞(canine mesenchymal stem cells，cMSCs)和EA．Hy926内皮细胞与支架材料复合培养，对比了动态培养(在生物反应器内)和静态培养(在24孔板内)。两组研究结果发现细胞能在支架材料上粘附、增殖，并且细胞形貌正常，说明材料的加入不影响细胞的生物学行为，同时发现，动态培养的细胞比静态培养的细胞生长旺盛，代谢快。
蔡仲雨[5]2007年在《PPF/CaSO_4/β-TCP复合材料的制备与降解研究》文中研究表明本课题目的是研究一种新型的可生物降解骨移植材料,使材料实现原位成孔,并使材料整体的降解速度慢于材料的成孔速度。首先采用叁步法合成了聚富马酸丙二醇酯(poly(propylene fumarate),PPF),并对其进行了表征。制备了CaSO4和β-TCP粉体,探索了CaSO4/β-TCP陶瓷小球的制备和烧成工艺,制取了力学性能较好的CaSO4/β-TCP陶瓷小球。以PPF为基体,N-乙烯吡咯烷酮(N-VP)为交联剂,过氧化苯甲酰(BP)为引发剂,N,N-二甲基对甲苯胺(DMT)作为促进剂,CaSO4/β-TCP陶瓷小球为无机填料,37℃下交联固化,制备了PPF/CaSO4/β-TCP复合材料。交联固化研究发现,不同组成的复合材料交联固化时的最高温度变化不大,从38~43℃,在人体组织的承受范围之内。聚合物分子量以及无机填料CaSO4/β-TCP的含量对交联固化温度的影响最为明显,且聚合物PPF分子量越大CaSO4/β-TCP含量越高,交联固化温度越高。材料的凝胶点在2~13min之间, PPF分子量对凝胶点的影响最大,增大PPF的分子量,会迅速达到凝胶点。增大引发剂的浓度也有同样的效果,但对凝胶点的影响要稍弱一些。降低N-VP/PPF比,增大BP/PPF比率,均会使材料的抗压强度和抗压模量增大。材料的抗压强度在3.94~61.87 MPa,抗压模量在94.24~1149.20 MPa。采用PBS缓冲盐作为降解液,选用长12mm,直径6mm的圆柱状试样,在37℃下研究了PPF/CaSO4/β-TCP复合材料体外降解时的性能。体外降解研究表明复合材料中CaSO4的摩尔分数越大,降解失重越快。交联剂(N-VP)的含量越低,分子量越高,材料的降解速率就越小。N-VP/ PPF和CaSO4/β-TCP越高,材料的抗压强度和抗压模量越低。6周后材料的抗压强度为3.12±1.99MPa~20.56±2.87MPa,抗压模量为57.05±38.34MPa~712.03±284.85MPa。选取性能较好的组成的材料植入日本大耳白兔胫骨,对材料的生物相容性进行了研究。研究发现,材料具有较好的原位成孔性能和良好的生物相容性,可作为小梁骨的替代材料,具有良好的应用前景。
王惠敏, 闫玉华, 李世普[6]2005年在《骨移植体的降解和新骨生长的可视化仿真》文中研究指明采用元胞自动机方法建立生物陶瓷降解和新骨生长的仿真模型,运用可视化技术对仿真结果进行图形化和动画显示.实验表明,只要模型的控制参数输入比较正确,仿真模型可以在不同阶段对降解的材料和新生的骨组织作定量分析.
吴思宇[7]2016年在《骨组织工程用双相磷酸钙陶瓷支架的制备及其性能研究》文中认为生物陶瓷材料由于其优良的生物相容性、与骨有相似的组成成分、具有骨传导性、与骨组织形成化学键结合等生物学性能,得到越来越多的材料研究者及医疗专家的青睐。其中,由于HA/β-TCP双相磷酸钙材料在可控降解性、生物活性和成骨性能上比单一钙磷陶瓷要优良,具有更加广泛的应用前景。因此本实验采用激光成型技术和有机泡沫浸渍法制备了一种具有规则直通孔与不规则通孔相结合的多孔双相磷酸钙陶瓷支架,该支架能够很好的满足骨组织工程对多孔生物材料的要求。同时将制备好的多孔双相磷酸钙生物支架与明胶、硅胶和硫酸钙复合制备出了(Si02、明胶、硫酸钙)／双相磷酸钙多孔支架,并对其进行成分、结构和性能等方面的分析。本文主要研究内容包括：(1)通过湿法合成,以碳酸钙和磷酸为原料制备出了具有HA和β-TCP两相的双相磷酸钙粉体。该粉体中β-TCP占81.6wt%；粉体粒径主要分布在0.2μm～20μm范围内：细胞毒性结果表明,该粉体细胞毒性为0或1级,即无细胞毒性。(2)分别通过激光成型技术与泡沫浸渍工艺制备了叁种不同密度的多孔双相磷酸钙生物支架。该支架具有与粉体相同的两相成分(HA和β-TCP);从低密度支架到高密度支架,主相β-TCP占比分别为79.3wt%、73.1wt%和71.7wt%;支架具有规则直通孔和不规则通孔相结合的孔洞结构：叁种密度的支架直通孔孔径均为0.9-1mm之间,叁维通孔孔径从低密度到高密度分别为200-800μm、200-500μm和100-500gm；叁种密度的支架的抗压强度随密度的增加逐渐减小,但均在0.1-0.4MPa之间；细胞毒性试验结果表明支架无细胞毒性。(3)分别采用硅胶浸泡后煅烧、明胶浸渍及硫酸钙灌浆的方法制备出多孔Si02/双相磷酸钙生物支架、多孔明胶／双相磷酸钙生物支架和多孔硫酸钙／双相磷酸钙生物支架。研究表明：前两种多孔生物支架均具有规则直通孔与不规则叁维通孔相结合的孔洞结构,其中对于SiO2/双相磷酸钙支架直通孔的孔径范围为700-900μm之间,不规则叁维通孔的孔径范围从密度到高密度300-500μm、200-350μm和100-300μm,对于明胶／双相磷酸钙支架直通孔的孔径为700-900μm之间,不规则叁维通孔的孔径从低密度到高密度为300-500μm、300-500μm和300-400μm：硫酸钙／双相磷酸钙生物支架的的形貌均为棒状硫酸钙和颗粒状双相磷酸钙颗粒相结合,且硫酸钙以堵孔的形式贯穿在多孔双相磷酸钙骨架的孔隙间：叁种复合支架的抗压强度分别为0.1-0.4MPa、0.8-1.2MPa及0.7-1.6MPa；体外生物降解实验发现,叁种支架浸泡于SBF的过程中有磷灰石的沉积,具有良好的生物活性,且随密度的增加,降解率逐渐降低,其中硫酸钙/双相磷酸钙生物支架的降解周期为90天；细胞毒性试验发现,叁种复合支架细胞毒性为0或1级,即无细胞毒性。
齐美丽[8]2018年在《羟基磷灰石微纳米纤维的制备及其微观力学与生物学行为》文中进行了进一步梳理人口健康是社会可持续发展的基本保障,作为人口大国之一,我国对生物医用材料的渴求巨大。羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HA)具备许多优异的生物学特性,一直以来是骨组织缺陷的修复和骨再生领域内应用最为广泛的无机生物材料,然而力学性能差这一致命缺陷极大地限制了其在承重领域内的应用。纤维状的HA可依靠桥梁连接、裂纹偏转和拉出效应等吸收能量,减轻裂纹尖端的集中应力,直接作为多孔骨块和缺陷填料或通过与可降解聚合物复合协同增进细胞功能并刺激新组织的再生,是一种极具潜力的植入材料。HA良好的吸附能力容易导致细菌在其表面附着与繁殖,银掺杂HA微纳米纤维的制备可在增强HA基生物材料力学性能的同时提高其抗菌性,避免感染,使骨组织替代材料长期有效的在人体内发挥作用,拥有十分广阔的应用前景。本研究将单晶的高强度、纤维的增韧作用与磷酸钙盐类的生物活性相结合,采用水热均相沉淀法制备了高长径比、高柔韧性、连续均一的多层带状HA微纳米纤维,并且将银离子掺入到HA晶格内部赋予了纤维自抗菌功能。此外,通过添加pH调节剂、表面活性剂、模板剂、螯合剂和氨基酸大分子等物质实现了对HA纤维生长的调控。使用原位透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)实时地观察了单根纤维在承受多次循环载荷时的变形过程,证明了纤维具有高度的柔韧性,揭示了其微观力学行为和弯曲变形机制。通过原子力显微镜对单根纤维进行了纳米压痕测试,得到了纤维的折算弹性模量。利用X射线衍射仪和光电子能谱仪、红外吸收傅里叶光谱仪、场发射扫描电子显微镜和TEM等测试手段对产物的物相组成、官能团、表面元素、微观形貌及显微结构等进行了系统的表征与分析,并探索了水热参数(水热反应温度、时间、初始pH值等)对产物相组成和形貌的影响。同时,制备了微纳米纤维的超薄切片,将其置于TEM下观察,结合Crystal Maker晶体模型软件分析了微纳米纤维的多层生长机理。通过细胞培养试验评价了纤维的细胞附着与增殖能力,并采用琼脂板细菌培养法检测了银掺杂HA微纳米纤维的抗菌性,确定了最优的银离子掺入量。结果表明,采用前驱体Ca(NO3)2·4H2O与(NH4)2HPO4的水溶液,pH调节剂为尿素时,在水热180℃,反应0.5 h后便可得到弯曲形态的HA微纳米纤维,纤维以单个形核点发射出去,长度可至200 μm,纤维微观形貌呈透明带状(厚度约100 nm)且表面光滑;延长水热反应时间,产物的结晶程度与择优取向有变,但纤维形貌未发生明显变化。pH调节剂为乙酰胺或丙酰胺时,180℃水热反应0.5 h后可得到弯曲或卷曲形貌的带状纤维,但其表面有缝隙;延长反应时间至1 h,尚有磷酸八钙(Ca8H2(PO4)6·5H2O,OCP)存在,纤维变直变粗;继续水热至24 h后,晶体形貌为典型HA的六方柱状并伴随有断裂和穿插生长的现象。本试验条件下,制备带状且长径比较高的HA纤维的适宜pH值在3.0-4.0之间,HA纤维的前驱体为OCP纤维,热稳定性测试表明HA纤维的稳定性优于OCP纤维。随银离子掺杂量的增加,衍射峰向低2θ角度偏移且衍射峰强度变弱,显示银离子取代了钙离子,进入到HA晶格的内部;当银离子的掺入量过多时,产物中出现了银磷酸钙相。分别添加阳离子型的十六烷基叁甲基溴化胺(CTAB)、阴离子型的十二烷基硫酸钠(SDS)和非离子型的聚乙二醇(PEG)等表面活性剂后得到的产物物相均是HA,个别样品含少量碳酸钙。CTAB和SDS的添加抑制纤维延C轴的生长,得到的产物为纤维与球形团聚体并存、片状,而PEG的引入促进了纤维长长。模板剂山梨醇的加入也弱化了纤维沿c轴的生长,螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)调节可得球状多孔HA(直径为10-40 μm)。分别引入酸性、中性和碱性的L-谷氨酸(Glu)、苯丙氨酸(Phe)和赖氨酸(Lys)调控HA纤维生长对晶体的择优取向影响较明显。叁类氨基酸对HA晶体的不同吸附位置对各个晶面的的影响不同,导致最终形成的形貌不一。添加Glu可以调控纤维转化成尺寸均一的大尺寸(直径可达100 μm)多孔HA微球。当Glu浓度为0.06 M,180℃水热反应10 h后,微球的圆整度和均一性最好,平均直径为64 μm。利用原位TEM,实现了对单根HA微纳米纤维和银掺杂HA微纳米纤维微观力学行为的可视化研究,实时地观察了微纳米纤维的变形行为。两种纤维均可以承受连续多次(N>7)的循环加载试验,纤维的压弯角度可达180℃,弯曲应变接近100%,且每次外力撤销后,变形都可以恢复,直观的显示了 HA微纳米纤维和银掺杂HA微纳米纤维的高度柔韧性。然而,作为对比试样的HA微纳米棒在首次承受加载时即迅速破坏,断裂方式属于由应力集中导致的脆性断裂。微纳米纤维的超高柔韧性取决于其带状结构以及层状结构。纤维在厚度方向的尺寸远小于其他两个方向,导致晶格畸变容易发生;层状结构可以分散压弯过程中的应力,避免应力集中于一点。通过制备微纳米纤维的超薄切片,在TEM模式下深入观察和分析微纳米纤维的多层结构。依据最低表面能原理,结合电子衍射结果和相应的晶体学模型,得出多层微纳米纤维的堆积方向为{110}晶面族。体外细胞试验表明,大鼠成骨细胞MC3T3-E1和骨髓间充质干细胞BMSCs均能在HA微纳米纤维和煅烧后HA微纳米纤维表面黏附铺展,细胞托举材料或与其协同生长,初步说明材料的生物相容性较好。体外抑菌试验表明,多层银掺杂HA微纳米纤维具有良好的抗菌性能,MTT法测试表明小鼠胚胎成纤维细胞3T3-J2的活性随银离子掺杂量的增加而增强。多层银掺杂HA微纳米纤维在提高HA基生物材料力学性能的基础上赋予了纤维自抗菌性能。体内植入试验表明,HA微纳米纤维对骨缺损的修复能力优于临床上最常用的Bio-Oss骨粉,饲养四周内即可修复大鼠颅骨部位的极限骨缺损。
赵宏霞[9]2010年在《生物矿化机制初探和人工骨材料的仿生制备及性能研究》文中指出纳米生物技术是纳米技术与生命科学的交叉,是在纳米尺度上形成的有关生命科学的纳米新技术和新方法。本文采用双膜扩散系统(DMDS)体外模拟了生物矿化,利用原子力显微镜(AFM)在纳米尺度研究了胶原的生物矿化行为。模拟生物矿化,采用脲酶法对羟基磷灰石基复合人工骨材料进行了仿生合成。制备了抗骨骼炎药物缓释材料——壳聚糖/羟基磷灰石-庆大霉素(CS/HA-G),并利用AFM从微观角度初步探讨药物对细菌的作用机制,同时还研究了抗生素对骨材料性能的影响。主要获得了以下具有创新性的结果：1.本文利用双膜扩散系统对生物矿化进行了体外模拟,并利用AFM对矿化过程中胶原纤维表面形貌及微观力学性能进行了探测。结果表明胶原纤维的矿化作用是一个分步自组装过程：在矿化初期,胶原的单体分子首先组装成较大的胶原纤维,这些胶原纤维再进一步组装成了大的纤维束,纤维束仅是胶原小纤维的疏松、无规则图案的聚集。到矿化中期,疏松聚集的胶原束组装成了有序结构,胶原纤维进一步聚集使得纤维束变得更紧密、更纤细,矿化胶原纤维呈现出了周期性的横纹条带,条带间距与天然胶原的周期性横纹一致。在矿化后期,由于羟基磷灰石(HA)在胶原纤维中的深度矿化,矿化胶原纤维直径和硬度均增大。AFM观察到了矿化初期和中期磷酸钙盐颗粒大小变化以及矿化后期磷酸钙盐颗粒的消失,为“高分子诱导的液相前体”理论提供了可视化证据。同时,AFM测量的结果表明,矿化胶原纤维表面周期性横纹条带的明带与暗带间高度差为2.4-4.3nm,比天然胶原纤维(约5nm)有所下降,它为Landis的“矿物质优先沉积于胶原纤维空隙(波谷)处”理论提供了实验数据。2.突破了传统共沉淀法的合成途径,模拟生物矿化行为,设计了脲酶法仿生制备人工骨材料壳聚糖/羟基磷灰石复合材料(CS/HA)以及胶原/羟基磷灰石复合材料(Coll/HA)。利用FTIR、TEM、XRD对两种复合材料进行了表征,同时采用激光衍射粒度分析仪(LDPSA)对材料的颗粒大小及粒径分布进行了分析；以万能材料试验机对材料的机械强度进行了测定；并对材料进行了降解实验。FTIR和XRD结果表明复合材料中HA为弱结晶；TEM和LDPSA结果表明与传统共沉淀法的制备产物相比,脲酶法制备的复合材料粉体颗粒更小,粒度分布更窄；万能材料试验机测得的复合材料的机械强度良好；降解实验结果表明材料具有良好的降解性能。3.制备了壳聚糖/羟基磷灰石-庆大霉素(CS/HA-G)缓释材料,对CS/HA-G进行体外缓释行为研究及抗菌实验；并利用AFM观察了细胞在药物作用前后表面形态结构的变化。结果表明,CS/HA-G的抑菌效果显着,维持有效释药时间长达30d以上。AFM观察显示药物作用于细菌菌体高度和表面平均粗糙度(Ra)均下降,有内容物渗漏。CS/HA-G的缓释作用和缓释规律显示出该材料在骨髓炎的防治中具有极大的临床应用潜能。4.为了研究抗生素对CS/HA材料性能的影响,本文采用共沉淀法制备了CS/HA-G缓释材料和CS/HA复合材料。利用红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料进行了表征。以不载药的CS/HA为对照,研究了庆大霉素对CS/HA复合材料抑菌性能、力学性能和降解性能等的影响。实验结果表明,CS/HA-G有良好的抑菌效果。负载庆大霉素后CS/HA的机械强度明显增强,而材料的降解速率有所下降。本文采用的二次成型技术显着增大了材料的机械强度。5.壳聚糖膜无论作为组织工程支架材料还是作为定向控释材料,其微观结构及微观力学性能都至关重要。而干燥条件是影响壳聚糖膜结构与性能的一个重要因素。本文以自然风干(NW)、真空干燥(VD)及红外干燥(ID)叁种干燥方式制备了壳聚糖膜。并利用原子力显微镜(AFM)研究这叁种壳聚糖膜的表面形貌及微观力学性能。实验结果表明VD和ID改善了膜材料的表面平整度,膜表面粗糙度分别为(5.47±1.34)和(2.79±0.93)nm,均显着低于NW膜((30.67±8.06)nm)。干燥条件对壳聚糖膜的微观力学性能有较大影响：ID壳聚糖膜的粘附力显着大于((2595±68.5) pN) NW壳聚糖膜((982.6±149.3)pN)和VD壳聚糖膜((1817.9±279.2)pN)。而ID壳聚糖膜的杨氏模量((158.8±15.2)MPa)则低于NW壳聚糖膜((204.3±22.7)MPa)和VD壳聚糖膜((195.8±14.6)MPa)。总之,本文利用纳米生物技术在纳米尺度对生物矿化进行了较为深入详细的研究分析,获得了大量有价值的实验数据与信息,为进一步研究生物矿化机制以及人工骨材料的仿生合成提供新的研究视角和思路。脲酶法所制备的HA基人工骨复合材料所显示的与天然骨相似的良好性能,表明这种新型仿生合成技术在骨组织工程中具有良好的应用前途。而CS/HA-G缓释材料的良好性能则显示了该材料在骨科临床应用的价值与潜力。未来,生物矿化及矿化仿生技术的进一步研究必将为骨组织工程的发展做出重大贡献。
沈健坚[10]2011年在《计算机辅助设计、制作个性化骨缺损修复体的研究》文中指出目的：将组织工程学(TE)、计算机辅助设计(CAD)、快速成型(RP)、逆向工程(RE)、有限元分析(FEA)等技术相结合；通过对比格犬骨髓间充质干细胞(BMSCs)进行分离、培养及定向诱导分化为成骨细胞,为骨缺损修复的种子细胞；计算机辅助设计、快速成型技术制作个性化骨缺损修复支架,在体外联合构建成骨细胞和个性化骨缺损修复支架的组织工程骨支架；采用有限元法对不同内固定方式+个性化骨缺损修复体修复重建骨缺损、计算机辅助设计个性化骨缺损体修复肿瘤型骨缺损进行静力结构分析,为个性化骨缺损修复提供力学依据。方法：1.采用密度梯度离心法和贴壁细胞分离法相结合的方法,对比格犬骨髓间充质干细胞进行分离、培养、扩增、以及骨髓间充质干细胞的生物学特性的鉴定。2.采用成骨细胞诱导液对BMSCs进行定向诱导分化,通过对诱导后的细胞进行形态学、组织化学和免疫组化染色等鉴定。3.计算机辅助设计骨组织工程支架内部结构的基本结构单元；有限元法分析不同基本结构单元的的应力和整体变形情况,筛选获取合适的基本结构单元；计算机辅助设计孔径、孔隙率和连通性可控的骨组织工程支架。4.通过立体光固化成型制作骨组织工程支架的负型模具和外套的光敏树脂模型；在骨组织工程支架负型模具中灌注β-TCP浆体,通过原位凝固和高温烧结,形成孔径、孔隙率和连通性可控的骨组织工程支架。5.将诱导后的成骨细胞复合多孔β-TCP陶瓷支架构建组织工程骨支架,观察成骨细胞在多孔β-TCP陶瓷支架上的粘附和增殖情况。6.计算机辅助建立胫骨骨缺损的叁维模型,计算机辅助设计与骨缺损外形相匹配的个性化骨修复体的叁维模型；计算机辅助建立Golf钢板和髓内钉固定修复骨缺损的叁维模型；采用有限元法分析不同固定方式重建骨缺损后的应力情况。7.计算机辅助建立胫骨近端骨肿瘤的叁维模型、测量肿瘤病灶范围、设计肿瘤病灶切除截骨平面；计算机辅助设计个性化骨修复体、建立Golf钢板固定修复骨缺损的叁维装配体模型。采用有限元法分析Golf钢板+个性化同种异体骨修复体修复重建膝关节周围肿瘤切除后大段骨缺损的应力、应变分布情况。结果：1.经密度梯度离心法和贴壁细胞发分离获取的骨髓间充质干细胞原代培养14天细胞达90%以上融合,细胞呈长梭形、并沿一定方向放射状排列生长,连续传代培育3代,细胞形态、增殖特性未发生改变；P2代BMSCS的G1期为74.38%、G2期为0.4%、S期为25.23%；BMSCS组织化学染色结果：糖原PAS呈阳性,油红O染色为阴性,碱性磷酸酶染色为阴性。2.采用含有β-甘油磷酸钠、抗坏血酸、地塞米松和10%FBS/DMEM的成骨细胞诱导液对BMSCs诱导培养14天后的细胞呈多边形或多角形；组织化学染色显示：碱性磷酸酶染色阳性、茜素红染色阳性、银染色阳性；I型胶原免疫反应阳性；证实诱导后的细胞为成骨细胞。3.成功实现计算机辅助设计骨组织工程支架不同的基本结构单元；有限元分析证实：开口立方体结构单元力学性能最强、立方体-圆柱结构单元次之、立方体-球体结构单元最差；在计算机辅助设计软件中,可以设计出孔径、孔隙率和连通性可控的骨组织工程支架,以及与支架阴阳互补的负型模具。4.采用快速成型技术,可以制作出孔径、孔隙率和连通性可控的骨组织工程支架负型模具；采用原位凝固成型法结合快速原型技术可以制备孔径、孔隙率和连通性可控的β-TCP陶瓷支架。5.成骨细胞与多孔β-TCP陶瓷支架体外培养7天后,见成骨细胞在支架中粘附、增殖情况良好,HE染色显示：多孔β-TCP陶瓷支架的孔壁均有成骨细胞的粘附生长。6.计算机辅助建立Golf钢板固定和髓内钉联合个性化骨缺损修复体修复骨缺损的叁维模型；建立‘'Golf钢板+个性化骨缺损修复体”、“髓内钉+个性化骨缺损修复体”的有限元模型；Golf冈板固定修复骨缺损的最大等效应力为24.37Mpa,髓内钉固定修复骨缺损的最大等效应力13.51Mpa；对于胫骨骨干处的大段骨缺损修复,髓内钉固定较钢板固定合适。7.借助于逆向工程软件和计算机辅助设计软件,成功设计与肿瘤切除后骨缺损病灶外形匹配的个性化骨缺损修复体；有限元分析显示：轴向加压试验中,Golf钢板固定修复胫骨近端肿瘤型骨缺损的最大等效应力为18.26Mpa；扭转试验时最大等效应力为64.466Mpa; Golf钢板+个性化骨缺损修复体修复胫骨近端肿瘤型骨缺损能够提供足够的稳定性。结论：1.骨髓间充质干细胞是骨组织工程研究理想的种子细胞。2.采用计算机辅助设计技术,可以设计出不同内部结构的骨组织工程支架。3.计算机辅助设计-快速成型制作相结合,可以制备孔径、孔隙率和连通性可控的β-TCP陶瓷支架。4.β-TCP具有良好的生物相容性。5.逆向工程-计算机辅助设计相结合,可以设计出与骨缺损病灶外形相匹配的个性化骨缺损修复体。6.有限元分析可以为骨缺损修复重建提供力学依据。
参考文献：
[1]. 生物陶瓷体内降解过程模拟与可视化研究[D]. 周爱芳. 武汉理工大学. 2003
[2]. 人工关节CAD/CAM相关理论及其关键技术研究[D]. 陈作炳. 武汉理工大学. 2004
[3]. 基于磷酸钙骨水泥的多孔微球的制备及结构与性能[D]. 李继彦. 华南理工大学. 2013
[4]. 聚L-乳酸（PLLA）/β-磷酸叁钙（β-TCP）复合多孔骨支架材料的制备及性能研究[D]. 许秀娟. 四川大学. 2007
[5]. PPF/CaSO_4/β-TCP复合材料的制备与降解研究[D]. 蔡仲雨. 天津大学. 2007
[6]. 骨移植体的降解和新骨生长的可视化仿真[J]. 王惠敏, 闫玉华, 李世普. 计算机辅助设计与图形学学报. 2005
[7]. 骨组织工程用双相磷酸钙陶瓷支架的制备及其性能研究[D]. 吴思宇. 昆明理工大学. 2016
[8]. 羟基磷灰石微纳米纤维的制备及其微观力学与生物学行为[D]. 齐美丽. 山东大学. 2018
[9]. 生物矿化机制初探和人工骨材料的仿生制备及性能研究[D]. 赵宏霞. 暨南大学. 2010
[10]. 计算机辅助设计、制作个性化骨缺损修复体的研究[D]. 沈健坚. 广州中医药大学. 2011
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