无机介孔纳米生物材料在药物靶向输送、组织工程、基因传输治疗、分子影像、无创手术增效治疗等医学领域具有广阔的应用前景, 对于诸如癌症等重大疾病的早期诊断与高效治疗具有重要的意义。本文以医学应用需求为背景, 以纳米合成化学为基础, 从多功能介孔纳米生物材料的设计入手, 结合本课题组的研究进展, 综述了介孔基纳米诊疗剂的研究现状和未来发展的趋势。通过对介孔SiO₂纳米粒子进行功能化修饰, 赋予其特定的功能, 不仅可以作为临床分子影像(核磁共振成像、荧光成像以及各种成像模式的复合)的造影剂对疾病进行诊断, 并能同时高效地包覆和传输药物对疾病进行治疗(化疗、基因治疗、光动力学治疗或者无创手术治疗)。随着纳米生物技术的发展和纳米合成化学的进步, 设计和制备具有特定功能的满足临床需求的介孔氧化硅基纳米生物材料, 并系统地评价其细胞生物学效应和生物安全性, 将会真正实现其在临床上的应用, 从而造福人类。

采用热喷涂技术在金属(合金)基材表面制备的生物陶瓷涂层, 兼具金属材料较高力学强度和陶瓷材料优良生物学性能, 作为骨植入材料的研究和应用备受关注。本文介绍骨植入涂层材料的研究概况, 重点阐述热喷涂羟基磷灰石(HA)涂层的研究现状, 并概述新型生物活性硅酸钙陶瓷涂层的研究进展。

生物材料的生物相容性是生物材料研究领域的关键科学问题。分子生物学技术的发展使生物材料的生物相容性评价从动物水平和细胞水平深入到分子水平。生物组学技术的发展为高通量进行生物材料分子生物相容性评价、阐明生物材料与生物体的相互作用机理提供了有效的手段。本文综述了生物材料生物相容性研究现状及基因组学、蛋白质组学技术在生物材料生物相容性研究中的应用。

近年来, 硅酸盐生物活性陶瓷越来越受到研究人员的重视, 其主要原因在于硅酸盐生物陶瓷能够通过释放硅(Si)离子等生物活性离子, 显著地促进骨组织细胞的增殖、分化及骨组织修复. 硅酸盐生物活性陶瓷有望作为新的陶瓷体系广泛应用于骨缺损修复和再生。本文将结合本课题组在过去十年的研究, 重点介绍目前硅酸盐生物活性陶瓷用于骨组织修复及再生的研究进展。同时, 通过与传统磷酸钙类生物陶瓷进行比较, 对硅酸盐生物活性陶瓷的优缺点进行分析和归纳, 最后对硅酸盐陶瓷作为新的生物陶瓷体系用于骨组织修复的前景做了展望。

使用羧甲基壳聚糖(CMCS)和明胶(Gel)作为粘结剂, 以沉淀法制得的纳米羟基磷灰石(HA)浆料为原料, 采用溶胶-凝胶法制备出了粒径分布均匀, 几何形态良好的致密HA球粒. 其孔隙率为4.7%±0.6%, 单粒抗压强度为(8.9±0.4) MPa(颗粒直径为0.5 mm), 高于孔隙率为16.4%±0.5%的多孔球的抗压强度(7.9±0.2) MPa。仿生矿化和细胞培养的结果显示致密HA球粒具有良好的生物学性能。

采用水热合成法制备了一系列具有不同微观形貌和荧光性能的掺锶羟基磷灰石粉末。通过X射线衍射、红外光谱、电子能谱、扫描电镜和荧光光谱表征样品的物相、形貌及荧光性能。结果表明: 所制备的样品形貌为1~ 3 μm的由微小晶粒聚集而成的球形颗粒, 但随着掺锶量的变化, 组成球形颗粒的微小晶粒形貌会出现较大的差异。 未掺锶羟基磷灰石晶粒形貌为短棒状, 随着掺锶量的增加, 微小晶粒逐渐变为片状而后转变为长棒状。样品能在紫外光(波长351 nm)激发下发出明亮的蓝色荧光(波长375~500 nm, 最强峰位432 nm), 且荧光强度随掺锶量增加先增强, 而后减弱, 在掺锶量为30mol%时达到最大。

利用超声探针在铝合金圆片上雕刻微米沟槽图案作为模板, 并成功地将此沟槽图案转移到羟基磷灰石(HAP)陶瓷表面上。扫描电子显微镜(SEM)表征结果显示3种沟槽宽度分别为20、40和60 μm, 与预先设计沟槽的尺寸一致; 接触角测量结果表明, 沟槽化HAP表面的纯水润湿性随沟槽宽度的减小而明显提高。对体外培养在三种沟槽尺寸HAP表面成骨细胞(MC3T3-E1)的形态观察、细胞核染色计数以及细胞取向角测量统计分析的结果表明, 沟槽化的HAP表面具有引导成骨细胞沿沟槽方向铺展的作用, 而且这种引导作用随着沟槽变窄而显著增强, 但这种引导作用并没有对成骨细胞的早期(30 h)增殖行为产生影响。

为了探究仿生纳米含硅羟基磷灰石的合成条件及含硅量对其结晶性能的影响, 以Ca(NO₃)₂、(NH₄)₂HPO₄和Si(OCH₂CH₃)₄(TEOS)为原料, 采用化学沉淀法制备了不同含硅量的羟基磷灰石, 并通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)对材料进行了表征。结果表明较低温(40℃)时有利于合成纯净的仿生纳米含硅羟基磷灰石, SiO₄^4-取代部分PO₄^3-进入羟基磷灰石的晶格。随着含硅量的增加, 仿生纳米含硅羟基磷灰石的结晶度和晶粒尺寸均降低, 晶胞参数a和c均增大。

采用四水硝酸钙和磷酸氢二铵的混合物为前驱体, 以丙酰胺(PA)为沉淀剂来控制溶液的过饱和度, 经水热均相法处理成功制备了高结晶度、形貌均一、分散性良好的纤维状羟基磷灰石(HA)粉体。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对所制备的HA进行了表征, 研究了初始pH值和前驱体浓度对HA形貌、组成、结晶度及生长习性的影响。结果表明: 初始pH值较低时有利于纤维状HA粉体的形成, 前驱体浓度较低时则能促进纤维的宽化; 但是初始pH值和前驱体浓度对产物的晶体结构、组成及结晶度影响不大。

CaSiO₃陶瓷作为潜在的生物材料受到广泛研究, 它生物活性好, 但化学稳定性、生物相容性、烧结以及力学性能不理想。本研究利用固相反应法分别将CaSiO₃与TiO₂以摩尔比2:1、3:1以及5:1进行混合, 在1100℃下煅烧制备了物相为β-CaSiO₃与CaTiSiO₅的CaSiO₃/TiO₂复合陶瓷。复合陶瓷的化学稳定性、常压下煅烧的致密度、力学性能比CaSiO₃陶瓷都得到了较大提升。随着CaSiO₃含量上升, 复合陶瓷力学性能及化学稳定性上升, 但在模拟体液中诱导磷灰石形成的能力明显下降。研究结果表明, CaSiO₃/TiO₂复合陶瓷是一种有应用潜力的骨修复材料, 且材料性能可通过改变组分实现调控以适应骨修复需要。

组织工程支架的贯通性对其体内生物学表现具有重要影响。采用甲壳素溶胶体系和蜡球造孔剂制备多孔羟基磷灰石(HA)陶瓷支架, 考查在相同模压条件下, 不同浆料/造孔剂比例对多孔HA陶瓷支架的孔隙率、收缩率、贯通性、多孔结构以及抗压强度的影响。结果表明: 该方法可以制备具有高孔隙的多孔HA陶瓷支架, 随着造孔剂比例的增大, 支架的贯通性更好, 当浆料/造孔剂比例为1:1.2时可以得到孔隙率、贯通性、力学性能最优的多孔HA陶瓷支架。

采用共混-真空烧结方法制备了一系列超顺磁性磷酸钙复合支架, 通过SEM、EDS、XRD和VSM等手段对所制备的材料性能进行表征, 并考察了其在水中的稳定性以及Ros17/2.8细胞在材料表面的黏附生长情况。结果表明: 该方法所制备的超顺磁性复合支架具有多级连通孔结构, 磁性纳米颗粒在基体中分布均匀, 结合牢固且复合量精确可控, 在水中具有良好的稳定性。真空烧结避免了磁性纳米颗粒在烧结过程中发生氧化和相变, 使复合支架继续保持超顺磁性并具有良好的磁性能, 且该磁性支架有利于细胞的黏附和生长, 具有较好的生物相容性, 在组织工程中有潜在的应用前景。

在柠檬酸中添加壳聚糖配成的固化液与磷酸钙骨水泥(CPC)调和制备的骨修复材料具有类似口香糖的胶状特性, 可应用于碎骨粘结, 称之为磷酸钙骨粘合剂(CPCBA)。本研究考察了柠檬酸的含量对抗压强度、固化时间、水化产物和粘结强度的影响, 同时对该体系进行了初步的体外生物学评价。结果显示, 加入柠檬酸可以缩短固化时间并且时间可以通过柠檬酸的含量进行调控, 同时也改善了抗水性能。壳聚糖可以与骨水泥中的钙离子发生螯合作用, 可以增加界面的粘结强度。小鼠原成骨细胞(MC3T3-E1)在其表面粘附良好, 该体系骨水泥有望取代PMMA成为新的骨粘结剂。

采用物理共混法(PB)、化学共沉积法(CC)和仿生浸泡法(BI)合成了多壁碳纳米管/羟基磷灰石复合粉(MWNTs/HA), 并将其作为磷酸钙骨水泥(CPC)的固相粉末之一, 分别制备了相应的CPC样品。由于MWNTs对液相中水分子的吸附、毛细管作用以及表面存在较多的亲水基团, 使得含有MWNTs的CPC样品的亲水性得以提高, 且初凝时间和终凝时间都有所缩短, 但仍满足临床应用的要求。由于CPC中的MWNTs/HA复合粉末的合成方式不同, 使之对CPC的抗压性能、CPC中HA的结晶性、微观形貌影响均较大, 但并不影响CPC的晶相组成。其中PB法所合成的MWNTs/HA复合粉末能促进CPC中纳米级HA晶体的转化和生长, 使针状HA含量的表现为最高, 且抗压力学性能为最好, 其抗压强度和弹性模量分别较空白CPC提高了48.23%和41.87%。

采用离心法将介孔生物活性玻璃(MBG)和磷酸钙骨水泥(CPC)高效复合制备出介孔/大孔多级孔复合支架材料, 评价了其对抗癌药物阿霉素的装载及释放性能。实验结果表明, 采用离心法能在大孔支架CPC内有效负载大量的介孔生物活性玻璃, 使其比表面积高达100.1 m²/g, 负载量达47.2%, 而采用传统浸渍法则不能将MBG粉体材料负载于CPC支架上。载药实验发现离心法制备的介孔/大孔复合支架对阿霉素的装载量达到了46 mg/g, 是普通大孔CPC支架的11.5倍, 且在体外具有药物缓释的特性。

采用熔融法和溶胶-凝胶法分别制备了生物活性玻璃45S5和SGBG, 通过SEM、BET及XRD等方法对它们的微观结构进行了表征, 并建立了SD大鼠糖尿病皮肤创面模型, 通过对创面愈合时间、创面愈合率以及HE染色分析, 探讨了生物活性玻璃对促进糖尿病难愈创面愈合的效果。结果表明, 与凡士林组相比, 生物活性玻璃组能加速创面愈合, 且SGBG具有纳米结构, 其比表面积更大, 与45S5相比能缩短糖尿病创面的愈合时间, 提高愈合速度。组织学分析表明生物活性玻璃能促进肉芽组织的生长。由此表明生物活性玻璃能促进大鼠糖尿病创面的修复, 且具有纳米结构的SGBG效果更好。

碳酸钙广泛存在于生物矿物中, 是地球上最普遍的生物矿物之一。贝壳和珍珠的主要组成部分为碳酸钙无机相。我国淡水养殖珍珠多数品质优异, 具有良好的珍珠光泽。该种珍珠以文石晶型碳酸钙为无机相, 称为文石珍珠。近年来, 在我国淡水养殖珍珠中发现了球文石的存在, 球文石的出现是导致珍珠失去光泽、降低质量的主要原因。本文对比阐述了淡水文石珍珠和球文石珍珠的微观结构与性能, 总结了与珍珠层有关的体外模拟碳酸钙生物矿化的实验结果, 提出了珍珠层生物矿化机理未来的研究方向。

采用溶胶-凝胶法, 在不同的焙烧温度下合成锌/铈共掺杂二氧化钛纳米材料。用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射光谱(DRS)对样品进行了表征。采用抑菌环法, 以大肠杆菌为实验菌种, 对Zn/Ce-TiO₂纳米材料抗菌性能进行检测。结果表明: 样品的结晶度和晶相完全取决于焙烧温度的高低; 部分锌进入二氧化钛晶格中, 其余掺杂离子以CeO₂和Zn₂Ti₃O₈形式存在; 与暗态下相比, 在可见光激发下, Zn/Ce-TiO₂纳米材料具有超强的抗菌性。对锌/铈共掺杂作用机制进行了深入探讨。