生物活性玻璃复合支架制备方法的研究进展

史力丹，邓久鹏，宋阳阳，宋颖，代香林

（华北理工大学口腔医学院，河北 唐山）

0 引言

自1969年生物活性玻璃被Hench等人发现以来，因其具有出色的生物活性，可降解性，骨诱导性，高亲水性及促血管形成作用等优点而受到广泛关注[1,2]，被认为在骨组织工程中极具应用前景的一类无机非金属骨再生修复材料。由于生物活性玻璃的脆性和疏水性[3,4]使其在不同类型骨缺损修复的应用受到限制。为改善这种支架材料的机械性能，最常用策略就是复合材料的开发。利用聚合物相通过有机-无机的杂化形式来提高支架的机械性能。对于骨组织工程而言，良好的生物支架应被设计成具有可控的分级多孔结构，适当的机械强度，与组织相协调的降解速率，从而诱导细胞反应和组织新生。在过去的几十年中，制备生物活性玻璃复合支架的方法有多种，本文就不同方法制备的生物活性玻璃复合支架材料的研究进展作一综述。

1 生物活性玻璃复合支架的制备方法

1.1 聚合物涂层技术

聚合物涂层技术是将制备好的支架进行脱气处理后置于器皿中加热，聚合物溶解所得的溶液倒入器皿中与脱气的支架充分接触，待溶剂缓慢蒸发，制备出具有复合物膜涂层的支架材料。这种方法是最常用来提高支架的机械稳定性，生物相容性和表面功能性。

Adrian Chlanda等[5]用两种不同的聚合物（PLA和PCL）涂覆生物活性玻璃制造出生物活性混合玻璃基支架，以复合PLA支架作为对照组，首次在纳米尺度上表征该支架的力学性能，结果表明复合PCL支架的刚度和粘合能力得到明显改善，具有更高的接触角和优良的诱导细胞反应。不同的聚合物浓度会对支架的机械性能产生不同的影响，Azadeh Motealleh[6]等系统分析了不同的浸涂变量（溶剂，聚合物浓度）对聚己内酯涂层涂覆的45S5生物玻璃基支架机械性能的影响,研究表明聚合物浓度的增加使复合支架的机械性能单一升高，难以保持孔的连通性和促进组织生长的能力。因此，聚合物浓度的阈值范围尤为关键。有研究表明，含75%的PCL-生物活性玻璃复合支架具有稳定的机械性能和良好的生物相容性与生物降解性[7]。采用这种方法制备的支架材料性能与涂层厚度紧密关联，Andres Alba等[8]生产出厚度可控的聚合物涂层，并通过控制厚度来调节植入后聚合物膜的降解速率，表明涂层在30至300 nm厚度范围内更具生物活性。总体而言，该技术制备的复合支架材料具备优秀的机械性能并可用于植入体的抗菌涂层，但要考虑到聚合物涂层的浓度和溶剂类型对复合支架材料的结构和性能的影响，如聚合物涂层的存在因延迟磷灰石层的形成而使生物活性下降，复合支架材料的孔隙率降低[9,10]。Dziadek等[11]证实了复合支架孔隙率出现差异会因溶解聚合物溶剂的类型而使复合材料的结构和性能受到影响。

1.2 聚合物泡沫复制法

该方法于1963年为制造泡沫陶瓷开发的一种工艺，以合成或天然材料为多孔开孔模板，将聚合物模板浸入具有陶瓷或玻璃粉末和粘合剂(例如聚乙烯醇，乙基纤维素，胶体二氧化硅)的浆料中，然后缓慢挤出多余的浆料，高温下聚合物泡沫发生热解的同时将陶瓷(或玻璃)涂层烧结去除模板以形成致密的网络，从而复制了与牺牲模板相同的宏观结构，并形成独特且轮廓分明的微观结构。关键步骤是在聚合物结构上制备均匀的涂层，以免陶瓷或玻璃颗粒堵塞孔隙的风险[12]。利用这个方法可更快速经济的制备出具有可调节孔径，形状不规则和高孔隙率的复合支架来修复骨缺损。

Qiang Fu等[13]采用该技术成功制备出13-93种生物活性玻璃多孔支架，支架孔隙率在85%以上，孔径在100-500μm，抗压强度为11MPa。通过扫描电镜和MTT分析表明，MC3T3-E1骨前成骨细胞在支架中出色的增殖能力。XiRao等[14]采用同样的方法制备出微结构类似小梁骨，抗压强度与松质骨相当的多孔TiNbZr支架。对于这个方法而言，选择合适的多孔开孔模板是重头戏，它不仅对复合支架的结构起决定性作用，而且可以更好地营造支架对外部环境的渗透性作用。S.N.L. Ramlee等[15]以聚乙烯醇（PVA）为粘合剂，非离子嵌段聚合物P123(PEG-PPG-PEG)为共同模板，制备出三种多孔生物活性玻璃支架，即45S5-PVA，45S5-P123，45S5-混合（PVA/P123)。扫描电镜和孔隙率测试结果表明，这三种支架具有高孔隙率（＞90%），高的抗压强度和生物活性，孔径在200-700μm。S. MisaghImani等[16]采用优化聚合物泡沫复制技术制备出具有优异的物理和机械性能且适用于修复关键尺寸的骨缺损的多孔复合骨支架。

1.3 热诱导相分离法

热诱导相分离法以热能作为驱使，在高于聚合物熔点时，溶于良溶剂的均相聚合物溶液因热力学不稳定而形成两个不同的相，通过将溶液暴露于另一种不混溶的溶剂或将溶液冷却至低于二项式溶解度曲线来形成固-液分离相或液-液分离相，随后使溶剂升华,制备出蜂窝状结构的支架材料。这个方法不仅制造成本低，还可兼容多种材料，适用于任何可溶于适当溶剂的聚合物，最特别之处在于可通过调整热力学参数（聚合物的浓度和类型，溶剂/非溶剂的比例，萃火温度，冷却温度和速度）和动力学参数（淬灭速率）来对支架的多孔结构进行有效调控。

Chin M H W等[17]综述了热诱导相分离法中各种参数对支架的影响。采用这个方法制备复合支架时，还要充分考虑添加的生物活性陶瓷的浓度，Aldo R. Boccaccini等[18]制备出可通过调节生物活性玻璃的浓度来控制PLGA（聚丙交酯-乙交酯共聚物）复合支架的体外降解。Sophie Verrier等[19]通过定量方式增加生物活性玻璃的浓度制备出聚（DL-乳酸）/生物活性玻璃支架。结果表明，该支架具有更杰出的生物相容性，利于MG-63（人类骨肉瘤细胞系）和A549细胞（人类肺癌细胞系）的粘附和增殖，为日后在肺组织工程中的应用提供了理论基础。

1.4 溶剂浇铸/颗粒浸出

溶剂浇铸/颗粒浸出法是将无机盐（如Nacl，Na2SO4,NaHCO3），碳酸铵，碳酸氢铵，冰晶等作为致孔剂，将所需尺寸大小的致孔剂颗粒筛选出来并匀称的分散于聚合物溶液中，将其浇铸到模具中，当溶剂蒸发后浸泡去除致孔剂颗粒，从而得到多孔支架材料。该方法的优点在于无需专门的设备易于制造，并通过致孔剂的粒径大小来控制孔径，孔的密度和孔隙率。

Lee J H等[20]以碳酸氢铵为致孔剂制备出平均孔径为400-500μm的高密度孔互联的聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）支架，将尚未成熟的大鼠睾丸细胞负载到支架材料表面，经培养接种率达65%，存活率高达75%。证明该支架为更大程度地促进生精生殖细胞的增殖和分化提供了一种新颖的手段。但这个方法存在制备时间长，致孔剂难以完全去除等问题，NingCui 等[21]采用负 NaCl模板法改进溶剂浇铸/颗粒浸出法来加速颗粒浸出制备出不同重量比的泡沫状PBLG/ PLGA / BG复合支架，结果表明，重量比为5:5:1的PBLG /PLGA / BG的复合支架（PBLG5PLGA5BG）拥有低降解率（＞8周），高压缩模量（566.6±8.8kPa），孔径为 50-500μm，孔隙率为90%。将复合支架植入SD大鼠背皮下模型和新西兰兔胫骨缺损模型，通过免疫组化和数字射线照相表明，PBLG5PLGA5BG复合支架具有良好的成骨潜能，使组织和微血管更有效地向内生长。M.Shaltookia等[22]通过加速致孔剂颗粒的浸出，制备出了多孔PCL/BG复合支架。

1.5 固体自由成型制造（SFF）

又称快速成型技术，在计算机的辅佐下，通过计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）获得的临床图像来精确虚拟所需结构的重建，以预定义加工参数的方式，自下而上以分层制造和层层沉积的方法创建出可控的三维多孔支架材料。固体自由成型制造因其具有高度的可重复性这一优势而受到强烈反响。最近研究表明，固体自由成型制造技术能够创建出多孔且坚固的与人类皮质骨相当的硅酸盐生物活性玻璃支架[23-25]。

近来，研发出一种新的固体自由成型制造，即冷冻挤压制造法，同样能制造出与人体皮质骨相当的支架。T.S. Huang等[26]采用冷冻挤压制造出多孔生物活性玻璃支架，不仅具有预先设计的网状结构，而且其抗压强度和弹性模量与人类骨皮质相当。Doiphode, N.D等[27]采用同样的方法制造出平均抗压强度为140 MPa，弹性模量为5-6 GPa的三维多孔生物活性玻璃支架. Xin Liu等[28]也成功制备出13-93生物活性玻璃支架，全面评估了支架的力学性能，并首次对支架的抗疲劳性进行表征，结果表明，该支架的抗压强度为86±9MPa，弹性模量为13±2GPa，平均疲劳寿命为106个循环，远高于正常生理应力的应力分布下的抗疲劳性，这些数据给予了13-93生物活性玻璃多孔支架在负载骨修复方面很大的信心。目前，采用固体成型制造技术制备的支架具有均匀的网状微结构，机械强度和弹性模量与人体皮质骨相称，但其抗弯强度远低于皮质骨，WeiXiaoaMo等[29]采用有限元建模和固体自由成型制造技术将支架制备出来，通过抗弯强度和有限元建模技术的模拟验证表明，该支架在原来制备的支架上抗弯曲强度提高了两倍以上，明显改善了支架的抗弯曲强度。

1.6 3D打印技术

1989年，美国麻省理工学院研发出3D打印技术，这是一种无需模具可根据计算机辅助制造与设计构建出的三维数据直接打印。这项技术利用粉末或液体金属或塑料等为黏合剂与具有骨修复功能的粉末材料相黏结，经过单层印刷，层层叠加的方式打印出满足骨组织工程的三维支架材料。自2000年以来，3D打印因其快速制造，易于定制和一些高度可控的支架参数（如孔隙率，孔径大小，力学性能，支架内部管通性）等优点而受到广泛关注。

XiaoyuDu等[30]采用3D打印制造出具有良好机械强度和生物活性的多孔MBG/SF复合支架.将载有人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）的MBG/SF支架植入裸鼠背后，通过qRTPCR技术来评估体内异位骨的形成，结果表明MBG/SF支架上的成骨相关基因（COL-1，OCN，BSP和BMP-2）的表达明显优于MBG/PCL支架，从而使复合支架获得更优良的新骨形成能力。传统的3D打印支架内部具有定制且均匀的孔隙结构，但这并不能满足支架材料需求，因此急需开发一种具有分级多孔结构和可调节的多功能的生物活性和生物相容性支架，得到了许多科研工作者的关注。Mina RazaghzadehBidgoli等[31]首次通过间接3D打印和冷冻干燥法制备出具有微孔和亚微孔结构的分层3D SF-BG支架，支架的层级结构由500-600μm和10-50μm组成，不仅改善了生物活性还为细胞在微环境中生长和繁殖创造出有利条件。YangHu等[32]运用溶剂蒸发和3D打印的W / O HIPE模板法制备出具有毫米级和微米级的分层多孔结构的生物活性纳米颗粒/聚（ε-己内酯）（BNPCL）支架，孔隙率94%，为细胞粘附和增殖提供了有效支撑，但也存在不足之处：较高的打印精度（分辨率），较慢的打印速度，打印时间耗时长以及粘合剂去除等问题[33,34]，而4D打印的出现使得这些问题得到了一定的改善，它在适当的刺激下对具有形状记忆的聚合物材料实现多维响应，以此来实现超快的打印速度[35]。

2 小结与展望

目前，制备生物活性玻璃复合支架材料的方法多种多样，且研究也日趋广泛与深入。近年来，研究者通过复合多种方法来制备生物活性玻璃复合支架，比如相分离和静电纺丝，聚合物泡沫复制法和静电纺丝，间接三维（3D）喷墨打印和冷冻干燥法等方法相结合，这样做不仅可以弥补单纯材料和方法上的不足，还可以制备出更加符合人体需求和支架要求的复合支架材料，这正在成为支架材料制备的一种新的发展趋势。尽管生物活性玻璃复合支架材料在基础领域取得许多的进展，但目前主要还是在科研阶段，临床应用推进缓慢，在修复关键尺寸部位的骨缺损时依然有许多问题亟待解决，例如（1）支架表面是细胞的第一接触位点，控制孔的形态结构，利于细胞黏附和血管形成；（2）与组织相协调的可控支架降解速率；（3）在不牺牲孔隙率的前提下提高支架的机械强度。在可期的未来，骨组织工程支架材料的研究可为预期的应用量身定制分级多孔的微结构和与之相匹配的降解速度以及良好的机械性能，最大程度实现负载药物，细胞和生长因子的功能化，从而诱导和引导新骨的生长，并与宿主骨形成良好牢固的结合，以此来满足临床的不同需求。