摘要
钛金属作为与人体骨骼密度最为接近的金属之一，具有硬度大、强度大和抗腐蚀性强等特点。近年来，3D打印多孔钛已经成为临床上承重部位骨缺损修复的主要材料，具有良好的生物相容性和仿生多孔的结构。但作为骨组织修复的支架材料，其生物相容性和成骨性能需进一步改进，3D打印多孔钛（Titanium，Ti）的改性受到了广泛关注。因此在本研究中，通过酰化反应、紫外光（Ultraviolet，UV）固化和仿生矿化的方法，将紫外响应性矿化水凝胶引入到多孔钛材料内构建复合体系，可以有效改善多孔材料的生物相容性和成骨诱导能力。表征水凝胶的理化性能，研究水凝胶在体外生理盐水环境中的释放效应；在体外评估多孔钛复合水凝胶体系对细胞的生物相容性，复合体系表面的细胞增殖、粘附和分化，以及复合体系中水凝胶内部的细胞增殖效果；探索复合体系在体内服役过程中对骨组织再生的影响。以下为具体研究内容： （1）3D打印多孔钛复合紫外响应性矿化壳聚糖水凝胶的制备及表征。通过酰化反应对天然壳聚糖（Chitosan，CS）进行改性，赋予壳聚糖水溶性以及紫外响应性，制备得到甲基丙烯酸酐化壳聚糖（MethacrylateAnhydrideChitosan，CSMA）预聚液。对预聚溶液进行加热，蒸发制备得到不同浓度（1%、2%和3%）的CSMA预聚液。分别将不同浓度的预聚溶液滴加在经过碱热处理的多孔钛上，超声处理使预聚液进入孔内，UV光照制得CSMA水凝胶；在预聚溶液中加入氯化钙溶液（CaCl2），UV光照制备出多孔钛复合CSMA/氯化钙水凝胶（CSMA/CaCl2）；将CSMA/CaCl2水凝胶置于含有碳酸铵（(NH4)2CO3）的特定装置内，在37℃下分解生成CO2和NH3，CO2通过特定管道与水凝胶内Ca2+反应，NH3可以调节体系pH值，逐渐完成碳酸钙（CaCO3）晶体的成核、生长和组装，制得CSMA/CaCO3水凝胶；场发射扫描电子显微镜（FieldEmissionScanningElectronMicroscope，FE-SEM）结果证明水凝胶为疏松多孔结构，并随着浓度增加孔径减小；傅里叶变换衰减全反射红外光谱（AttenuatedTotalReflection-FourierTransformInfraredSpectroscopy，ATR-FTIR）证明壳聚糖与甲基丙烯酸酐（MethacrylicAnhydride，MA）之间发生了酰化反应；X射线衍射（X-rayDiffraction，XRD）的结果证明CaCO3的晶相为方解石形状；光学显微镜（OpticalMicroscope，OM）进一步证明CaCO3晶相为方解石，并且在水凝胶内呈现均匀排列；热重分析（ThermogravimetricAnalysis，TGA）结果表明CSMA/CaCO3组由于含有CaCO3而具有更高的热降解温度；载罗丹明-b的复合水凝胶释放实验证明壳聚糖水凝胶能够释放出小分子药物，并且释放速度与壳聚糖浓度有关，浓度高的壳聚糖水凝胶释放速度低；水凝胶的钙离子释放实验证明了钙离子可以从水凝胶内释放，也为接下来的体内外成骨分化实验提供了理论依据。 （2）3D打印多孔钛复合紫外响应性矿化壳聚糖水凝胶的体外生物学实验。制备多孔钛复合不同浓度（1%、3%）CSMA、CSMA/CaCl2和CSMA/CaCO3水凝胶材料浸提液，细胞活性检测和活/死染色结果证明，复合体系对大鼠骨髓间充质干细胞（BoneMesenchymalStemCells，BMSCs）无明显细胞毒性；多孔钛复合（1%、3%）CSMA、CSMA/CaCl2和CSMA/CaCO3体系表面细胞粘附及增殖检测证明BMSCs可在各水凝胶表面粘附和增殖；复合体系的（1%、3%）CSMA、CSMA/CaCl2水凝胶内部细胞增殖实验表明水凝胶内部支持BMSCs增殖；体外成骨分化实验证明多孔钛复合CSMA/CaCO3水凝胶能够促进BMSCs向成骨细胞分化。 （3）3D打印多孔钛复合紫外响应性矿化壳聚糖水凝胶的体内生物学实验。在动物试验中，分别将多孔钛、多孔钛复合3%CSMA和3%CSMA/CaCO3水凝胶体系植入新西兰大白兔胫骨近端，并在8周后获得材料与骨组织的实验标本，利用Micro-CT分析出多孔钛复合3%CSMA和3%CSMA/CaCO3水凝胶两组实验组的骨长入、骨密度均优于对照组；苏木精-伊红（Hematoxylin-eosin，HE）染色和Goldner''s三色染色结果得出各组无明显生物学毒性，并且实验组新生骨多于对照组。体内动物测试表明多孔钛复合3%CSMA和3%CSMA/CaCO3水凝胶能够促进骨组织再生。 本研究制备的紫外响应矿化壳聚糖水凝胶材料，具有疏松多孔的结构特点，能够释放出水凝胶内小分子药物，3D打印多孔钛复合水凝胶材料具有良好的生物相容性和促进成骨分化性能，并且具有促进体内骨组织缺损愈合的能力。综上所述，该复合水凝胶材料有成为骨修复材料的潜力。
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