珍珠层作为骨修复材料的研究进展

寻找和研制理想的骨修复材料一直是生物材料研究的热点之一。珍珠层作为生物骨替代材料,其优势在于含有具有诱导成骨作用的有机成分、合适的降解性能以及与人骨组织接近的力学性能。本文综述了珍珠层的结构、无机成分、有机成分、细胞相容性和生物降解性,这些研究结果表明,珍珠层具有很好的生物相容性。同时还分析了珍珠层作为骨修复材料存在的问题,展望了珍珠层作为骨修复材料应用的前景。     

脱钙人牙基质复合胶原骨修复材料的制备与性能研究

本研究探讨脱钙人牙基质(Decalcification Tooth Matrices DTM)复合胶原材料作为骨修复材料的可行性.采用冻干后高温交联的方法制备脱钙人牙基质复合胶原材料;利用扫描电镜、X射线衍射、红外(IR)分析及电子能谱(EDS)分析材料表征;通过成骨细胞MCT3T-E1与材料混合培养分析材料的生物相容性及诱导骨细胞生长活性.结果显示材料分布均匀,形成多孔疏松的支架,其主要成分为羟基磷灰石晶体,材料不影响成骨细胞的分裂,且对细胞增殖有明显促进作用.研究表明脱钙人牙基质复合胶原材料具有骨修复材料的结构特点,且具有良好的细胞相容性及诱导成骨细胞增殖活性.     

生物活性压电陶瓷在植骨材料的研究进展

目前临床上的植骨材料在使用中有着一定的局限性,例如生物活性不足、骨折不愈合、成骨量有限、材料降解速度与组织生长不匹配等问题.研究具备成骨性能的新型生物活性骨修复材料是目前骨组织工程领域研究的热点和重点之一.介绍了CaTiO3、BaTiO3基无铅压电陶瓷、[(K,Na)NbO3]基(KNN基)无铅压电陶瓷及LiNbO3作为植骨材料的研究进展.生物压电陶瓷有着较好的细胞相容性和组织相容性,具有成为骨替代物的潜力.     

仿生人工骨修复材料研究

骨缺损修复材料是临床需求量最大的生物医用材料之一.自体骨和异体骨移植的局限性使得研发优异的人工骨修复材料意义重大.通过模仿天然骨本身的成分、结构特性及生物矿化过程,对材料的组成、结构进行设计与调控,可以获得新型仿生人工骨修复材料,这已成为生物材料发展的主要趋势之一.文中概述了仿生人工骨修复材料的研究进展,重点介绍本课题组的相关研究,即类骨微纳米磷酸钙矿物的仿生合成、生物医用高分子仿生纳米纤维支架的制备和具有多级孔结构的自固化磷酸钙基骨修复材料的构建.     

新型无机材料--磷酸钙骨水泥的研究概况

就一种新型无机材料一磷酸钙骨水泥近年来在理化性能、材料改性、生物相容性等方面的研究概况进行了综述，阐明了磷酸盐骨水泥在骨缺损修复和硬组织替代方面的广阔应用前景。     

CPP/α-TCP骨水泥复合材料研究

自固化磷酸钙骨水泥(CPC)作为一种新型人工骨替代材料，以其良好的生物相容性、骨传导性和可任意塑形，可广泛用于临床骨缺损修复．但其强度低、脆性大，不能用于负重部位，使其应用受到限制．本文利用纤维增强机理，用CPP／α-TCP骨水泥为基体材料，具有良好生物相容性的聚磷酸钙纤维(CPP)为增强材料制备出了CPP／α-TCP骨水泥复合材料．实验结果表明，CPP纤维在一定程度上可对骨水泥起到增强作用．SEM显示两者结合程度适中，在Ringer溶液中浸泡两个月后，纤维未发生明显降解作用，仍具有一定的增韧效果．     

陶瓷冠桥修复材料的研究进展

生物陶瓷作为牙科冠桥修复材料，具有极佳的生物相容性，优良的耐腐蚀性和耐磨损性，能够达到自然美观的修复效果，是固定修复材料的主流发展趋势。陶瓷材料固有的脆性和低强度限制了其使用范围。综述了研究和应用较多的几种陶瓷冠桥修复材料的特点，讨论了其增强机制和发展趋势。     

生物压电陶瓷复合种植材料的制备与性能研究

研究了一种新型的人工生物压电陶瓷复合种植材料－ＨＡＢＴ生物压电陶瓷。对该种材料的压电性能、力学性能、热学性能、化学性能和生物学性能进行了初步考察和动物试验。结果表明，该材料既具有与人体组织相近的生物相容性和力学相容性，又具有相似于人体自然骨的压电性。该材料还能诱导骨组织的生长，符合生物安全性检测要求。     

羟基磷灰石基生物材料培养破骨细胞研究现状

骨重建是新骨组织替换旧骨或受损骨的生理过程，在无瘢痕骨愈合和受损骨再生中起着必要的作用。骨重建主要是骨形成细胞如成骨细胞（osteoblast，OB），骨吸收细胞如破骨细胞（osteoclast，OC），和巨噬细胞（macrophage，MP）等细胞之间的相互协调活动。OC作为生物体内唯一多核细胞，负责生物体内骨质的脱钙与骨基质的吸收。自然骨具有一定硬度、韧性，良好的生物活性，保证骨重建中细胞的增殖、分化、骨形成或骨再吸收等活性。以羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）为主的磷酸钙（HA-CaPs）是自然骨中矿物质的主要成分，具有优异的生物性能而被广泛应用于骨组织修复领域。总结了HA-CaPs物相成分、表面形貌等对OC等骨吸收细胞增殖、分化和骨吸收活性的影响，并通过OC对于骨修复材料体内吸收机制及细胞活性调控机制等探讨HA-CaPs与细胞间相互关系，以期为磷酸钙人工骨替代材料更加广泛的生物应用作理论参考。     

生物功能化多层膜及其在组织工程中的应用

生物功能化多层膜在组织工程中具有重要应用.针对特定的需求,采取层层组装等方法,对材料表面进行修饰和功能化,构筑具有特殊生物功能的多层膜,用于改善材料的生物相容性并调节其生物功能,是当前该领域研究的一个热点,也是组织工程研究发展领域的一个挑战.层层组装技术是构筑生物功能化多层膜,实现其特定生物特性的一种重要技术方法,在生物功能化多层膜组装技术中占有重要地位.本文重点评述了生物功能化多层膜的种类及其层层组装的构筑方法,同时重点介绍了层层组装生物功能化多层膜在组织工程血管和组织工程骨两个领域的重要应用,并展望了其今后的发展方向.     

Bone indentation recovery time correlates with bond reforming time.

Despite centuries of work, dating back to Galileo, the molecular basis of bone's toughness and strength remains largely a mystery. A great deal is known about bone microsctructure and the microcracks that are precursors to its fracture, but little is known about the basic mechanism for dissipating the energy of an impact to keep the bone from fracturing. Bone is a nanocomposite of hydroxyapatite crystals and an organic matrix. Because rigid crystals such as the hydroxyapatite crystals cannot dissipate much energy, the organic matrix, which is mainly collagen, must be involved. A reduction in the number of collagen cross links has been associated with reduced bone strength and collagen is molecularly elongated ('pulled') when bovine tendon is strained. Using an atomic force microscope, a molecular mechanistic origin for the remarkable toughness of another biocomposite material, abalone nacre, has been found. Here we report that bone, like abalone nacre, contains polymers with 'sacrificial bonds' that both protect the polymer backbone and dissipate energy. The time needed for these sacrificial bonds to reform after pulling correlates with the time needed for bone to recover its toughness as measured by atomic force microscope indentation testing. We suggest that the sacrificial bonds found within or between collagen molecules may be partially responsible for the toughness of bone.     

不同取向贝壳材料力学性能的压痕法研究

天然生物材料的组织结构特征及其与性能间的关系研究对于材料的仿生设计有重要意义.利用压痕法压研究了贝壳材料的硬度,断裂韧性及脆性指标,并结合SEM技术研究了贝壳珍珠层压痕形貌,探讨了珍珠层的增韧机制.结果表明,无论是珍珠层和还是柱状晶生长纹对其性能影响较小,珍珠层在平行于片层方向上与垂直于片层方向的性能差别较大,珍珠层明显的各向异性主要来自于其独特的组织特征.珍珠层其成分和独特的微观结构特点决定了其在应力场中是一种能量耗散结构,裂纹在扩展过程中,裂纹偏转,有机物桥联,纤维拔出等多种增韧机制在协同作用于材料韧性.     

重组合异种骨修复兔尺骨缺损的研究

经手术造成兔尺骨骨缺损 ,缺损区植入重组合异种骨 ,通过 X线、大体解剖学及组织学检查观察修复过程来研究重组合异种骨修复骨缺损的效果 .结果是植入的重组合异种骨与受骨床充分整合并完全修复骨缺损 .说明此重组合异种骨为一理想的自体骨替代物 .     

细菌纤维素组织工程支架的仿生矿化研究

骨骼创伤已经成为当今影响人类健康的一大病症。因此,骨修复材料就成为研究的一大热点。骨组织工程支架作为重要的骨修复材料,可以诱导成骨细胞生长并为新骨生长提供条件。传统的骨组织工程支架包括合成高分子(如聚乳酸、聚乙醇酸等)和天然高分子(如胶原、壳聚糖等)。与传统支架材料相比,细菌纤维素(BC)具有良好的生物相容性、精细的纳米空间三维网络结构,有作为组织工程支架的潜能。通过仿生矿化处理,BC纳米纤维表面可以生长出羟基磷灰石(HA)的晶体颗粒,且HA颗粒均匀覆盖在纳米纤维表面。通过热分析得出,仿生矿化处理会使BC的热稳定性得到一定的提升。     

贝壳中文石晶体择优取向的XRD分析

贝壳珍珠层独特的结构是其优异力学性能的重要原因.采用X射线衍射法(XRD)对贝壳珍珠层及柱状晶的晶体结构及择优取向进行了详细的探讨.结果表明:珍珠层中文石晶体在沿珍珠层面上存在两种定向排列,即(002)和(012),具有择优取向性,柱状晶层结构的无序性比珍珠层大.     

磷酸钙与胶原双相多级仿生骨组织工程支架研究

磷酸钙与胶原是天然骨组织的重要组成成分,介绍了一种仿生设计磷酸钙与胶原双相复合的多级仿生骨组织支架.采用双氧水发泡技术精确定制磷酸钙支架孔结构,结合真空灌注胶原以及仿生矿化技术,构建磷酸钙,胶原双相多级仿生骨组织支架,材料的孔结构及化学组分可实现定制设计.通过对支架材料测试表征,结果显示,这种无机/有机/无机多级仿生支架材有良好的力学性能.材料的体外细胞实验结果证实,这种多级仿生支架材料具有良好的生物相容性.     

Nonlinear material behaviour of spider silk yields robust webs

Natural materials are renowned for exquisite designs that optimize function, as illustrated by the elasticity of blood vessels, the toughness of bone and the protection offered by nacre. Particularly intriguing are spider silks, with studies having explored properties ranging from their protein sequence to the geometry of a web. This material system, highly adapted to meet a spider's many needs, has superior mechanical properties. In spite of much research into the molecular design underpinning the outstanding performance of silk fibres, and into the mechanical characteristics of web-like structures, it remains unknown how the mechanical characteristics of spider silk contribute to the integrity and performance of a spider web. Here we report web deformation experiments and simulations that identify the nonlinear response of silk threads to stress--involving softening at a yield point and substantial stiffening at large strain until failure--as being crucial to localize load-induced deformation and resulting in mechanically robust spider webs. Control simulations confirmed that a nonlinear stress response results in superior resistance to structural defects in the web compared to linear elastic or elastic-plastic (softening) material behaviour. We also show that under distributed loads, such as those exerted by wind, the stiff behaviour of silk under small deformation, before the yield point, is essential in maintaining the web's structural integrity. The superior performance of silk in webs is therefore not due merely to its exceptional ultimate strength and strain, but arises from the nonlinear response of silk threads to strain and their geometrical arrangement in a web.     

珍珠母堆垛微结构的力学性能和热稳定性

一直以来,软体动物贝壳内的珍珠母因为其由文石片和片间有机基质薄层堆垛而成的微结构及其卓越的力学行为而广受关注,但对贝壳珍珠母的多级结构,尤其是其中的两级有机基质结构的力学功能研究甚少.本文通过机械载荷和温度载荷组合来研究皱纹盘鲍（Haliotis Discus Hannai）贝壳内的珍珠母的结构和力学特性关联.发现文石片层间的有机基质的热解有效降低了珍珠母堆垛微结构的强度和韧性,并在250℃时使珍珠母的层叠堆垛结构完全崩溃,此时有机基质的热解量约为1.7wt%,仅为有机基质总量的40%.而力学性能试验比较发现,珍珠母堆垛微结构的热稳定远低于其基本组成单元——文石片纳米复合结构.另外,尽管有机基质薄层的黏着作用对珍珠母的力学性能具有积极意义,但珍珠母微结构本身的逐层交错堆垛设计机制是影响其刚度的决定性因素.     

珍珠层中的蛋白质及其与碳酸钙相互作用研究进展

近年来对珍珠层中蛋白质及蛋白质对碳酸钙结晶控制作用的研究得出珍珠层中含各种各样的功能蛋白质，不同种类动物形成的珍珠层中所含的主要蛋白质种类不同，它们各自独有自己的结构和功能，蛋白质对珍珠层中无机相的成核、结晶、形貌等的控制作用明显存在，但是，目前体外的仿生矿化实验不能复制珍珠层中无机相的形貌，这种控制作用的详细机理仍不清楚，人们对其认识还处于初步的阶段。     

Multifunctional artificial nacre via biomimetic matrix-directed mineralization

Natural nacre, one of the most studied biological structural materials with delicate hierarchical structures and extraordinary performance, has inspired the design and fabrication of artificial structural ceramics with high fracture toughness. However, to meet the diverse requirements of different applications, future structural materials must be multifunctional with superior mechanical properties, such as strength, hardness, and toughness. Herein, based on the matrix-directed mineralization method for producing biomimetic structural materials, we introduce nanoparticles with different inherent functions into the platelets of artificial nacre via the co-mineralization of aragonite and the nanoparticles. Besides their enhanced mechanical properties, the obtained artificial nacre materials also exhibit different functions depending on the type of the nanoparticles. To extend the versatility of this strategy, the effects of nanoparticles of different sizes and zeta potentials on mineralization are also analyzed. This universal strategy can be applied to the fabrication of other types of functionalized biomimetic structural ceramics that have potential applications in various fields, such as biomedical science.