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骨组织工程学的提出和发展改变了传统骨缺损的治疗模式,为临床上骨缺损的修复提供了新的方法和途径。骨组织工程主要包含种子细胞、支架材料、生长因子三个基本要素,其中支架材料作为构建骨组织工程最基本的载体材料,是决定骨修复效果的关键因素。本文运用三维打印技术成功制备了CSH/MBG复合骨水泥支架、C3S/MBG复合骨水泥支架、多孔Fe-MCS/PHBHHx复合支架以及BG@PDA-DFO陶瓷支架四种生物活性支架材料,并分别探究了它们的理化特性,体外矿化性能和生物学性能。(1)采用溶剂挥发诱导自组装法合成介孔生物活性玻璃(MBG)粉体。运用三维打印技术将半水硫酸钙(CSH)的水泥化学性质与MBG优异的生物活性相结合,制备出CSH/MBG复合骨水泥支架。通过养护处理,支架的抗压强度得到提升,并且强度增强作用随着养护时间的延长而明显增加;MBG的引入可以稳定降解产物的pH水平,调节支架的降解速率。此外,支架可以促进人体骨髓间质干细胞的粘附、增殖、分化以及相关成骨基因的表达;以鼠颅骨极量骨缺损为动物模型的动物实验中,含MBG的骨水泥支架比纯的CSH支架具有更佳的骨诱导性能,更好促进骨缺损处新骨的生成。(2)运用三维打印技术将硅酸三钙(C3S)的水泥化学性质和MBG优异的生物活性相结合,制备了孔道互相连通的C3S和C3S/MBG复合骨水泥支架。养护3天后,支架抗压强度能达到18 MPa以上,满足人体松质骨2-12 MPa的抗压强度要求。体外细胞实验结果显示,C3S/MBG复合骨水泥支架可以促进人体骨髓间质干细胞的粘附、增殖、ALP活性以及相关成骨基因的表达。以鼠颅骨极量骨缺损为动物模型的动物实验中,C3S/MBG复合支架组比纯C3S支架组具有更加优异的骨诱导活性,展现出促进骨缺损修复的潜力。(3)采用溶胶凝胶法合成了铁掺杂的介孔硅酸钙(Fe-MCS)粉体,并利用三维打印技术制备出不同铁含量的Fe-MCS/PHBHHx复合支架。各组支架都具有三维联通的内部结构,孔径为~350μm,孔隙率为~70%,抗压强度为~5 MPa,能够诱导羟基磷灰石的沉积。将人体骨髓间质干细胞与支架共培养,结果发现铁含量较低的支架(5Fe-MCS/PHBHHx)能够促进细胞增殖、分化和相关成骨基因的表达;但是铁含量增加,则会对细胞的增殖和分化有一定的抑制作用。(4)利用三维打印技术结合高温烧结工艺制备出生物玻璃(BG)陶瓷支架,通过多巴胺的自聚合行为与迈克尔加成反应在BG陶瓷支架表面修饰去铁胺(deferoxamine,DFO),提高支架促进血管再生能力。各组支架均具有三维联通的大孔结构(~350μm),良好的力学性能(~12 MPa);聚多巴胺(PDA)的引入可以提高BG陶瓷支架诱导羟基磷灰石沉积的能力。体外细胞实验结果表明,PDA和DFO的引入,可以明显促进骨髓间质干细胞在支架表面的粘附、增殖、分化以及相关成骨基因的表达,有利于骨组织工程应用。本文研究结果表明,利用三维打印技术可以将骨水泥材料的水硬性与生物玻璃优异的生物活性相结合,制备出CSH/MBG和C3S/MBG复合骨水泥支架,为个性化三维多孔骨水泥支架的制备及骨缺损修复应用提供新的思路和途径。Fe-MCS/PHBHHx复合支架具有三维联通的内部结构,较高孔隙率,良好的力学性能和优异的体外矿化性能;较低Fe含量的复合支架能够促进骨髓间质干细胞的增殖与分化,有利于骨修复。三维BG@PDA-DFO陶瓷支架具有三维联通的大孔结构和良好的力学性能,PDA和DFO的修饰可以改善BG陶瓷支架的体外矿化性能,促进骨髓间质干细胞的增殖和成骨分化,在骨缺损修复应用方面具有重要价值。