刘 斌(1977-), 男, 博士, 讲师. E-mail:liubinnuist@nuist.edu.cn
在制备复合磷酸盐多孔陶瓷的基础上, 采用稀浆料对其进行多次重复涂覆, 通过扫描电镜(SEM)、排水法和体外细胞实验等对比了多次涂覆前后样品的孔隙特征, 表面结构和细胞相容性。结果发现, 随着涂覆次数的增加, 样品的孔壁厚度有所增加, 孔隙率呈下降趋势。不过经过3次涂覆后, 样品孔隙形貌并没有太大的变化, 孔隙率仍大于80%。同时多次涂覆使陶瓷表面增加了大量的1~2 μm的微孔结构, 体外实验结果显示, 这种结构有利于兔骨髓基质干细胞的粘附、铺展和生长。研究表明, 多次涂覆(特别是3次涂覆)在不明显改变多孔陶瓷孔隙特征的前提下, 改变了表面微观结构, 提高了细胞相容性。
Polyphosphate porous ceramics were prepared and then recoated with thinner slurry. Macroporous characteristics, surface topology and cytocompatibility of samples before and after being recoated was evaluated using scan emission microscope (SEM), the Archimedes drainage method and the cells cultivation test
以羟基磷灰石为代表的磷酸钙陶瓷由于具有优良的生物相容性, 已广泛应用于生物医学领域[ 1, 2]。特别是具有三维孔结构的磷酸钙陶瓷不仅有利于细胞的粘附和生长, 还能促进新骨的形成, 被认为是一类极具潜力的骨组织工程支架材料[ 3, 4, 5]。为了满足骨组织工程对支架材料提出的性能要求, 很多研究者致力于磷酸钙陶瓷多孔结构的研究, 并得到了一系列制备方法[ 6, 7, 8]。其中的有机泡沫浸渍法是制备骨组织工程用多孔陶瓷支架最有效的方法之一。该方法得到的多孔陶瓷具有较高的孔隙率(70%~90%)和孔隙连通度, 孔径通常大于100 μm, 有利于陶瓷植入体内后骨组织的生长以及新生组织内血管的形成[ 9, 10]。
除孔隙结构外, 表面性能也是决定工程化组织成功的重要因素之一[ 11, 12]。用于组织修复或替代的材料, 其表面是细胞或组织与材料发生相互作用的界面, 表面结构、化学成分以及表面能很大程度上决定了细胞的粘附、分化乃至组织的生长[ 13]。大多数磷酸钙多孔陶瓷都是经过高温烧结而成, 致密的结构降低了其表面生物活性[ 14, 15]。因此, 以增进材料表面生物性能为目的的表面修饰逐渐成为磷酸钙多孔陶瓷研究的热点之一。目前关于磷酸钙多孔陶瓷表面修饰方法的研究已有大量的报道。Wu等[ 16]采用聚乳酸修饰硅酸钙多孔陶瓷表面, 促进了骨细胞在材料表面的铺展, 提高了细胞活性。Roohani等[ 17]采用在双相磷酸钙多孔陶瓷表面引入纳米生物活性玻璃颗粒的方法, 促进了类骨细胞在材料表面的成骨基因表达。Zhang等[ 18]通过仿生法在多孔β-磷酸钙表面制备纳米类骨磷灰石涂层, 从而达到促进细胞粘附的目的。
对于有机泡沫浸渍法制备的具有三维网状结构的多孔陶瓷, 一种简单的表面修饰方法是浆料的多次涂覆。这种方法常用于改善多孔陶瓷的结构和力学性能。如Yao等[ 19]采用有机泡沫浸渍法制备了碳化硅多孔陶瓷, 并通过浆料的多次涂覆增加其孔壁厚度, 将其抗压强度从0.32 MPa提高到1.59 MPa。Akpinar等[ 20]通过浆料的多次涂覆制备了结构和力学性能优良的莫来石多孔陶瓷。目前, 还未见将该方法用于磷酸钙多孔陶瓷的表面修饰, 以增强其表面生物性能的相关研究报道。本研究旨在通过多次涂敷来增强前期研究[ 21]制备的复合磷酸盐多孔陶瓷的表面细胞相容性。主要采用多次涂覆工艺对复合磷酸盐多孔生物陶瓷进行表面修饰, 观察多次涂覆对磷酸钙多孔生物陶瓷的孔隙特征和表面结构的影响, 并通过体外细胞培养实验, 评价其对表面细胞相容性的影响。
将Al2O3与足量的磷酸(H3PO4)在80℃条件下充分反应得到磷酸二氢铝(Al(H2PO4)3)溶液, MgO与足量的H3PO4反应得到磷酸二氢镁(Mg(H2PO4)2)溶液, 将它们以质量比为1:1混合。以此混合溶液为粘结剂, 与自制的HA粉末按3:7(质量比)混合, 加入适量的蒸馏水(固含量为66%), 400 r/min球磨2 h, 制得HA陶瓷浆料。将经过预处理的开孔网状聚氨酯软泡沫(孔密度为 60 ppi)在浆料中浸渍, 充分吸附后取出, 去除多余浆料后得到多孔陶瓷坯体。坯体经80℃干燥后1100℃高温烧结2 h, 制得复合磷酸盐多孔陶瓷。
按上述原料与方法配制固含量为45%的陶瓷稀浆料, 将制得的复合磷酸盐多孔陶瓷样品浸泡于该浆料中, 真空处理5 min, 使浆料充分渗入陶瓷的孔隙中。取出后, 将样品放于自制的离心甩干机上, 见图1, 以400 r/min转速离心处理3 min, 以去除样品中多余的浆料。将处理后的样品经80℃干燥后 1100℃高温烧结2 h。以相同的工艺对多孔陶瓷进行2~5次涂覆。
用FEI SIRION场发射扫描电子显微镜(SEM)观察样品的孔隙结构和表面微观形貌。以水为介质, 通过阿基米德排水法对样品的孔隙率进行测试, 详细操作见文献[ 22], 孔隙率取5个试样的平均值。
以初次涂覆和3次涂覆的多孔陶瓷材料(φ5 mm× 3 mm) 作为实验组。以单纯接种细胞的培养孔为空白对照组。将材料在磷酸盐缓冲液(Phosphate Buffer Solution, PBS)中浸泡冲洗2次, 每次15 min。通风吹干后, 分别装入无菌培养瓶, 封口。Co-60辐照灭菌后, 将各组材料用含10%胎牛血清(Fetal bovine serum, FBS)的培养液(DMEM-LG)浸泡2 h。吸去材料内的大部分培养液后将其放入37℃, 5%CO2, 饱和湿度的培养箱中静置5 h。
按照前期研究[ 21]中所述的方法对兔骨髓基质干细胞(RBMSCs)进行分离, 培养传至第二代细胞, 以1.25×106cells/mL接种至24孔培养板, 每孔放入1块材料, 每个实验组重复8个样品。于复合培养的第2 d和第6 d, 每个实验组分别取出1块材料, PBS冲洗, 2.5%戊二醛固定, 乙醇梯度脱水, 临界点干燥, 喷金后用扫描电镜观察细胞形态。在剩余实验组和空白组的培养孔内加入0.5%MTT溶液 100 μL, 孵育4 h, PBS洗涤3次。每孔加入二甲基亚砜(DMSO)1 mL。振荡10 min后, 吸取各孔液体150 μL于96孔培养板, 用酶标仪(Bio RAD-680)于490 nm波长下检测各孔的光密度值。
相关数据以均数±标准差表示, 经SPSS统计软件(版本14.0)进行单因素方差分析, P<0.05有统计学意义。
本研究采用浆料涂覆聚氨酯泡沫工艺制备了复合磷酸盐多孔陶瓷, 并以此为初次涂覆样品, 采用组分相同的稀浆料(固含量45%)对多孔陶瓷进行了2~5次涂覆, 每次涂覆后的样品都经离心法去除多余浆料, 然后在相同条件下干燥烧结。图2的SEM照片反映了经初次, 3次和5次浆料涂覆后多孔陶瓷的孔隙结构。对比发现, 初次涂覆的多孔陶瓷具有相互连通、分布均匀的大孔结构, 孔径大于100 μm,大多数分布在300~500 μm范围内(图2(a)), 这种大孔结构已经被证明有利于细胞增殖[ 21, 22]。随着涂覆次数的增加, 陶瓷的孔壁厚度有所增加(图2(b)), 但孔径尺寸的变化很难从照片中反映出来。经过5次涂覆后, 由于孔径尺寸的减小导致过多浆料在孔隙内残留, 陶瓷的孔隙中出现了大量的闭孔结构(图2(c))。
图3是多次涂覆后陶瓷孔隙率与涂覆次数的关系。初次涂覆的多孔陶瓷其总孔隙率和开孔率分别为(85.9±1.6)%和(78.6±1.7)%, 随着涂覆次数的增加, 陶瓷的总孔隙率和开孔率都呈下降趋势。当涂覆次数不大于3次时, 总孔隙率和开孔率下降相对平缓, 闭孔率变化不太明显, 此时孔壁厚度的增加和孔径的减小可能是孔隙率降低的主要原因。而在涂覆次数为3~5次时, 陶瓷的总孔隙率和开孔率下降更为明显, 闭孔率也明显增加。说明随着涂覆次数的增加, 孔隙率的变化不仅来自孔壁和孔径的变化, 而且受孔隙内残留的多余浆料的影响, 这一点可以从图2(c)中得到证实。
由此可见, 多次涂覆工艺对多孔陶瓷孔隙特征的影响一定程度上取决于涂覆次数, 涂覆次数过多容易导致闭孔结构以及孔隙率的明显下降。本研究中, 当涂覆次数不超过3次时, 得到的多孔陶瓷仍具有利于细胞生长和组织长入的开孔结构和高孔隙率(大于80%)。
图4是多次涂覆后陶瓷表面微结构的SEM照片。可以看出, 初次涂覆的多孔陶瓷其表面是由大量的2~5 μm的陶瓷颗粒排列而成, 结构相对致密(图4(a))。由于重复涂覆时所用的浆料固含量较低(45%), 随着干燥过程溶剂的排出致使陶瓷颗粒间出现了较大空隙, 即使经过与初次涂覆相同的热处理工艺, 这些颗粒的生长受到限制, 最终形成的颗粒较小。同时, 烧结致密化过程也不足以消除这些空隙, 因而3次涂覆后陶瓷颗粒之间残留了大量1~2 μm的微孔结构(图4(b))。随着涂覆次数增加, 浆料可能进入到表面的这些微孔结构造成部分区域微孔数量减少, 陶瓷颗粒增大(图4(c))。因此, 多次涂覆工艺不仅影响到多孔陶瓷的孔隙特征, 而且增加了多孔陶瓷表面的微孔结构。由下面的分析可知, 这种表面微孔结构更有利于细胞的粘附和铺展。
用于骨组织工程植入的支架材料要求能够诱导骨原细胞从周围组织向植入材料内生长, 以促进新骨形成。而体外细胞在材料表面的活力一定程度上能够反映材料在体内促进细胞和组织生长的能力[ 23, 24]。本研究通过兔骨髓间充质干细胞培养, 观察了培养2和6 d时细胞在初次涂覆和3次涂覆多孔陶瓷表面的生长情况。图5是MTT实验测得的复合培养光密度(OD)值。对比发现, 培养2 d后, 实验组的OD值都大于空白组。经过3次涂覆的多孔陶瓷实验组其OD值也明显高于初次涂覆的样品。随着培养时间的增加, 对照组和实验组的OD值都有所增加。培养6 d后, 经过3次涂覆的多孔陶瓷实验组OD值增加最为明显, 并与初次涂覆的多孔陶瓷实验组之间存在显著性差异( P<0.05。图6是SEM观察细胞在多孔陶瓷上的贴壁、形貌和生长情况。可以看出, 接种细胞后的第2 d, 在初次涂覆的多孔陶瓷上粘附的细胞还较少, 只在少数孔壁上观察到零星分布的细胞, 并伴有少量的丝状物出现。此时细胞在材料表面并没有完全铺展开 (图6(a))。相比之下, 在3次涂覆的样品表面粘附的细胞数量和丝状物都明显增加, 细胞的长扁梭形伪足开始伸展, 细胞与材料的结合相对紧密(图6(b)。随着培养时间的增加, 两个实验组材料表面细胞数量和丝状物都有所增加(图6(c)和(d)), 且开始向孔内伸展。特别是3次涂覆的样品上, 细胞和丝状物几乎覆盖了整个材料表面, 细胞贴壁更为紧密(图6(d))。这与MTT实验结果是一致的。这些结果表明, 本研究制备的磷酸钙多孔陶瓷没有表现出毒性, 并具有较好的细胞相容性, 而且经过多次涂覆的样品表面促进了细胞的粘附、铺展和增殖。
无论是体内植入还是体外培养, 细胞的粘附过程始于材料表面对体液中纤维连接蛋白的吸附, 纤维连接蛋白与细胞表面的特异性受体之间形成相互作用, 这种作用引发信号的级联反应从而介导细胞的粘附, 影响其生长、分化和迁移[ 25]。材料表面对纤维连接蛋白的吸附不仅取决于蛋白分子自身的性质, 还取决于材料的表面形态、均一性、疏水性以及表面电荷等因素[ 26]。研究表明[ 23, 27, 28], 带有一些缺陷的粗糙表面能够提供更大的作用表面积, 有利于蛋白质和矿物离子的吸附, 从而促进细胞的粘附和组织的生长。本研究制备的磷酸盐多孔陶瓷, 除了大孔结构外, 其表面都存在一些微孔结构(如图4(a)和(b))。在细胞培养过程中, 这种陶瓷表面不同程度地吸附了一些丝状物(如图6), Lampin等[ 25]认为这些丝状物可能来源于培养过程细胞分泌的细胞外基质中的纤维连接蛋白, 也可能是培养基中纤维连接蛋白的沉积, 它们都可以促进细胞的粘附。因此两个实验组样品都能促使细胞在其表面正常的粘附和生长。不过由于初次涂覆样品表面相对比较致密, 微孔结构较少, 细胞的初期粘附和铺展并不理想(图6(a))。而经过3次涂覆的样品表面增加了大量的1~2 μm的微孔结构(图4(b))。Karlsson[ 29]和Zhu[ 30]等的研究表明, 表面大量的细微孔结构不仅可以增加与蛋白分子的接触面积, 而且还可能为蛋白分子提供更多的吸附位点, 从而使蛋白分子更容易进入这些微孔区域。从SEM观察结果可以看出, 整个培养周期中经3次涂覆的样品表面吸附了更多的丝状蛋白(如图6(b)和(d)), 这也导致了两个实验组在OD值、细胞形态和数量上的差异。
事实上, 已有很多研究报道了类似的微观结构对表面细胞活力的影响。如Matsuzaka等[ 31]研究了聚乳酸(PLA)表面结构对鼠基质干细胞行为的影响, 结果表明具有深度为1~1.5 μm, 宽度为1~10 μm凹槽的表面有利于细胞的早期粘附, 但对细胞的后期增殖影响不大。Li等[ 32]研究了具有微孔结构(0.7~1.5 μm)的磷酸钙陶瓷表面对细胞活性影响, 结果发现微孔数量越多, 表面积越大, 能够吸附更多骨形成蛋白, 从而诱导细胞分化成成骨细胞。而Yu等[ 33]在研究Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb合金表面磷酸钙生物涂层的生物相容性和骨诱导性时也发现, 具有2 μm左右微孔结构的多孔磷酸钙涂层更有利于细胞的粘附、分化以及新生组织的形成。上述分析表明, 本研究通过多次涂覆工艺在不显著改变多孔陶瓷孔隙形貌和孔隙率的前提下提高了材料表面细胞相容性(细胞的粘附、铺展和生长), 而多次涂覆对表面微观结构的改变可能是造成这一结果的主要原因。当然, 影响材料表面细胞行为的原因有很多, 如材料降解过程导致的表面Ca2+、PO43-的释放等。因此多次涂覆工艺对该磷酸盐多孔陶瓷生物性能的影响还需要更多的体外和体内实验验证。
1) 本研究在有机泡沫浸渍法制备复合磷酸盐多孔陶瓷的基础上, 用浆料对其进行多次涂覆。随着涂覆次数的增加, 多孔陶瓷的孔壁厚度增加, 闭孔数量增加, 而孔隙率下降。但当涂覆次数不大于3次时, 孔隙结构并没有太大的变化, 总孔隙率维持在80%以上。
2) 多次涂覆工艺引起了多孔陶瓷孔壁表面微观结构的变化。特别是经3次涂覆后, 样品表面增加了大量的1~2 μm的微孔结构。体外细胞培养实验结果表明, 这种微观结构有利于丝状蛋白的吸附, 并促进细胞在材料表面的粘附、铺展和增殖。