鍶摻雜介孔硅酸鎂/聚己內酯復合支架的制備及其性能研究

何 賀

(上海理工大學材料科學與工程學院，上海 200093)

由于衰老，社會中與骨缺損有關的疾病的發生率急劇增加，近年來，骨骼替代品的需求量增加。骨組織工程學的引入[1],產生了第三代新型生物材料，需要仔細研究材料的選擇，以便制造在組織和器官水平上具有最佳生物相容性并同時保持足夠機械強度的骨替代物。

鎂基生物材料作為潛在的骨修復材料(如含鎂生物活性陶瓷[2-3]，可降解鎂合金)引起了越來越多的關注，這些都是誘導骨骼再生的極好的候選生物材料。因此，開發用于骨修復和替代的新型鎂基生物材料是一個重要的追求。

介孔材料是有前途的候選生物活性材料，已被研究用于修復骨[4-5]。據我們所知，很少有先前的研究報道過制備介孔硅酸鎂(MMS)用作骨再生材料。因此，合成并表征了MMS，并研究了其體外降解性，生物活性和藥物釋放活性。另一方面，摻雜具有特定功能的無機組分可以改善硅酸鹽生物活性陶瓷的物理化學性質和生物學性質。一些研究人員正在摻雜鈦(Ti)，鍶(Ce)和鎂(Mg)金屬元素，以改善陶瓷材料的物理化學和生物學特性。例如，Wu等[6]制備含Sr的中孔生物活性玻璃(Sr-MBG)支架，結果表明，將Sr摻入MBG支架中顯著刺激牙周膜細胞的ALP活性和成骨相關基因的表達。Young等[7]制備了Sr摻雜的蓋琳石(GLN)，結果表明隨著鍶摻入量的增加，可以調節GLN這種生物陶瓷的生物活性和機械強度。研究表明，鍶具有促進成骨細胞分化和抑制破骨細胞分化的優勢[8]。

本文以聚己內酯為粘接劑，結合三維打印技術成功制備鍶摻雜介孔硅酸鎂復合支架并研究其理化性能，用于骨缺損的修復治療，同時詳細研究了復合支架的抗壓強度、孔隙率、生物活性、可降解性和藥物釋放等理化性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗材料

表面活性劑PEO20PPO70PEO20(P123，Mw=5800)，BASF；濃硝酸(HNO3，36.0%～38.0%)，正硅酸乙酯(TEOS，AR)，六水硝酸鎂(Mg(NO3)2·6H2O，≥99.0%)，硝酸鍶(Sr(NO3)2，Mw=211)，聚己內酯([C6H10O2]n，Mw=70000)，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 Sr-MMS/PCL復合支架的制備

采用溶膠-凝膠法合成了含鍶的介孔硅酸鎂，其中0% Mg、5% Mg、10% Mg、15% Mg被Sr取代的組分分別命名為MMS、5Sr-MMS、10Sr-MMS、15Sr-MMS。使用原硅酸四乙酯(TEOS)作為硅源，聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)的三嵌段共聚物(P123)作為結構導向劑，Mg(NO3)2·6H2O和Sr(NO3)2被用作鎂和鍶的來源。在此實驗中，P123的摻入對于獲得有序結構至關重要，以5Sr-MMS的合成為例，簡而言之，稱取6 g P123和20.83 mL HNO3將其溶于130 mL去離子水中6 h，在磁力攪拌下直至溶液澄清，加入9.12 g TEOS、0.46 g Sr(NO3)2和9.12 g Mg(NO3)2·6H2O于溶液中。在此過程中，溫度保持在50 ℃，劇烈攪拌5 h后，將獲得的白色懸浮液，在通風櫥中放置于室溫下。再過24 h，將乳狀溶液于80 ℃下放置72 h，使其完全蒸干，離心收集產物，用去離子水洗滌。接下來，將收集的粉末在60 ℃的烘箱中干燥24 h。最后，將干燥后的樣品粉末放在馬弗爐中于600 ℃下煅燒6 h，以2 ℃/min的速度去除剩余的P123。

本實驗使用第四代3-D BioplotterTM(EnvisionTEC GmbH，Germany)打印機打印支架。打印前，如下制備可注射的MMS/PCL漿料。通常，將MMS和Sr-MMS粉末通過400目的分樣篩過篩，形成粒徑均勻的粉末，粒徑小于37 μm。隨后，將0.3 g PCL完全溶解在2 mL氯仿中。1.2 g MMS粉末加入PCL溶液中，在室溫下快速攪拌至形成可注射漿料。最后，將制得的漿料住入高分子打印管中，該打印管固定在3-D BioplotterTM打印設備上。同時，正方形方塊模型(6×6×6 mm3)加載到Bioplotter CAD/CAM軟件上，將漿料擠出為一層一層地纖維細絲，最多20層。通過在兩個連續的層之間以0和90度繪制纖維來改變結構，其中注射泵的氣體壓力為2～4 bar，打印速度為5～8 mm/s，針頭直徑為400 μm。最后，將獲得的支架命名為MMS/PCL、5Sr-MMS/PCL、10Sr-MMS/PCL、15Sr-MMS/PCL，將各組支架放在37 ℃烘箱中干燥兩天。

1.3 測試與表征手段

利采用BRUKER公司X射線衍射儀(XRD)，獲得粉體的廣角XRD衍射圖，小角X射線衍射(XRD)圖案是在Bruker AXS Nanostar上使用Cu Ka1輻射測量的。通過Micromeritics Tristar 3020 型比表面儀于-196 ℃下獲得N2吸附-脫附等溫線，Brunauer-Emmett-Tellwe(BET)和Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法用于確定表面積，孔徑分布和孔體積。采用Perkin Elmer 有限公司傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)對四組進行紅外定性分析，四組Sr-MMS/PCL支架的掃描電鏡(SEM)照片在FEI Quanta 450型場發射掃描電鏡上獲得。支架的抗壓強度在2.5 kN的Zwick萬能材料試驗機上測試，支架的孔隙率運用阿基米德方法測試獲得。本實驗所用的SBF具體配方測定降解性能。本研究選用牛血清白蛋白(Albumin from bovine serum，BSA)作為模型藥物來評價Sr-MMS/PCL復合支架的藥物輸送性能。

2 結果與討論

2.1 鍶摻雜介孔硅酸鎂粉體表征

如圖1A所示，在介孔硅酸鎂(MMS)和具有不同Sr取代量的Sr-MMS材料的廣角XRD圖中，四組樣品沒有特定尖銳的衍射峰，只在2θ=15°～35°時有一個“饅頭峰”，這與以前報道的硅酸鹽材料類似。表明MMS具有無定形的非晶相結構，溶膠凝膠和P123燒結過程中都沒有結晶相生成。此外，圖1B為Sr-MMS粉體的小角XRD衍射圖譜，在四組樣品中均可以觀察到大約2θ=1.0時有一個分辨良好的峰，其他三個弱峰值明顯可見，將其索引為(100)，(110)和(200)，是關于p6mm六角形對稱性相關的反射，表明其存在高度的六角形介孔結構，結果表明在MMS材料中，Sr部分取代Mg后，介孔結構仍會保留。

圖1 粉體的XRD衍射圖譜(A)；小角XRD衍射圖譜(B)

如圖2(A)所示，在MMS中用Sr代替Mg并沒有改變介孔結構。Sr-MMS具有所有等溫曲線均顯示IV型，具有明顯的磁滯回線，這是由于介孔孔道相關的毛細管凝結所致，表明Sr-MMS具有P6mm介孔孔道。先前的研究表明，介孔硅酸鹽和高分子聚合物復合，表現出增強的骨形成生物活性，從而導致更高的化學反應性，從而有利于運送藥物，蛋白質和其他生物分子[9]。圖2(B)顯示了MMS和Sr-MMS的FTIR光譜，在四組樣品中均檢測到了生物陶瓷的典型Si-O官能團的吸收峰。從圖中明顯觀察到，其中在801 cm-1是由于Si-O的非對稱彎曲振動所引起，在1080 cm-1對應的是Si-O-Si對稱拉伸振動，進一步表明鍶的摻入并沒有破壞原來結構。

圖2 MMS粉體和Sr-MMS粉體的N2吸附脫附等溫線和孔徑分布(A)；紅外圖譜(B)

2.2 Sr-MMS/PCL復合支架抗壓強度和孔隙率

圖3A為根據阿基米德方法測試計算出MMS、5Sr-MMS、10Sr-MMS和10Sr-MMS支架的孔隙率，分別為72.3±2.1%、74.3±1.9%、73.2±1.8%和73.3±2.0%。由于打印過程保持了PCL的用量以及打印參數的一致性，四組支架間孔隙率并未產生明顯差異.。圖3B為MMS、5Sr-MMS、10Sr-MMS和15Sr-MMS四組支架的抗壓強度，分別為3.9±0.24 MPa、4.4±0.19 MPa、4.0±0.16 MPa和3.6±0.16 MPa。因此三維打印技術可以很好的控制支架模型結構使其抗壓強度均在2 MPa以上，基本可以滿足人體松質骨的要求，因此從內部結構和力學性能來看，四組支架材料均具有骨組織修復的潛力。

圖3 MMSs支架和Sr-MMSs的抗壓強度(A)；孔隙率(B)(n=3，*表示顯著性差異)

2.3 Sr-MMS/PCL復合支架掃描電鏡圖

圖4是四組支架的掃描電鏡照片，支架均具有相似的規則的三維連通大孔結構。由高倍SEM照片(A1-D1)可以看出，其表面形貌呈現較小差異，存在類似的表面孔洞尺寸及三維結構，孔徑約為400 μm。同時，PCL充當粘結劑的角色，將支架中的粉體均勻包裹，支架的重復性較穩定，因此三維打印技術很好的塑形。

圖4 四組支架的掃描電鏡照片

2.4 Sr-MMS/PCL復合支架體外降解及其礦化性能

SBF浸泡七天后，各組復合支架表面沉積很多顆粒(圖5 A-A1,B-B1,C-C1, D-D1)。顆粒聚集成球體，并在表面沉積融合形成完整的厚層，這是由于功能性Sr-MMS/PCL復合支架浸泡SBF溶液7天后表面有羥基磷灰石的形成。支架表面形貌沒有明顯差異，說明5Sr-MMS/PCL,10Sr-MMS/PCL,15Sr-MMS/PCL復合支架具有與MMS/PCL支架類似的生物活性，沒有隨著Sr的摻雜而降低其生物活性。

圖5 4組支架在SBF中浸泡7天后的掃描電鏡照片

2.5 Sr-MMS/PCL復合支架藥物釋放性能

如圖6所示，四組支架在整個藥物釋放過程中表現出類似的藥物釋放曲線，即在剛開始表現出BSA的快速釋放，其釋放量能達到總裝載藥物量的70%，然而BSA的釋放速度隨Sr取代的增加呈現細微的差異。不同的溶出特性可能對速率大小起作用，據報道，一些藥物如地塞米松從生物活性硅酸鹽玻璃中釋放不僅受擴散影響，而且源于玻璃本身的溶解[10]。因此，MMS中Sr對Mg的取代可以控制藥物釋放率，這種藥物釋放動力學有利于臨床要求初始較高藥物劑量隨后穩定藥物濃度的需求，在一定程度上具有作為骨組織再生的局部給藥系統潛力。

圖6 MMSs和Sr-MMSs在PBS中的BSA釋放曲線

3 結 論

(1)鍶的摻雜并沒有改變介孔硅酸鎂的介孔結構，并且隨著鍶的摻雜，比表面積降低，由于鍶占據了鎂的中空位點導致。

(2)制備的Sr-MMS/PCL復合支架抗壓強度大于2 MPa，基本能夠滿足人體松質骨的抗壓強度要求?？紫堵柿己?，有利于細胞。

(3)Sr-MMS/PCL復合支架礦化能力較好，形成羥基磷灰石顆粒，礦化能力有利于后期在人體內的降解。

(4)Sr-MMS/PCL復合支架藥物釋放緩慢，有利于藥物釋放動力學的研究。

因此，Sr-MMS/PCL復合支架是一種可望用于骨修復治療的新型多功能復合支架。