聚乙烯醇縮丁醛對三維聯(lián)通納米氧化鋯骨組織工程支架壓縮強度的影響

朱瑞喬，馬 娟，朱迎蘭，史小蕾，董 震，金 磊

0 引 言

20 世紀(jì)90 年代美國學(xué)者Crane 等［1］首次系統(tǒng)闡述了骨組織工程的概念、研究方法及發(fā)展前景。骨組織工程原理包括支架材料、種子細胞和成骨因子3 個方面，研究理想的支架材料是目前骨組織工程研究的熱點之一［2－6］。頜面部骨缺損的特殊性對支架外形、穩(wěn)定性以及多形性的要求與四肢和軀干不同，不可吸收的組織工程支架在頜骨的應(yīng)用占有了絕對的優(yōu)勢。氧化鋁及氧化鋯這類生物惰性材料機械性顯著，能夠滿足承重骨的力學(xué)要求，雖不能在體內(nèi)降解，但與組織相容性好，不會產(chǎn)生炎癥，無異物反應(yīng)，可在體內(nèi)長期存在且不產(chǎn)生形變。氧化鋯陶瓷是目前公認(rèn)的最具發(fā)展前景的生物材料，在機械性能和生物相容性均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，已成功用于制作口腔全瓷修復(fù)體、人工髖關(guān)節(jié)替代物以及骨組織工程支架［7－11］。

我們前期已經(jīng)采用模板復(fù)制法制備出納米多孔氧化鋯支架，可較好地復(fù)制模板的外形，孔隙率控制在60%～90%，其具有良好的三維聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，骨髓間充質(zhì)干細胞可在其表面附著并表現(xiàn)出良好的生長繁殖能力［12－13］。但制作時水基漿料的穩(wěn)定性及其與有機模板的潤濕性較差，影響了支架的成型率，支架燒結(jié)塌坯現(xiàn)象問題明顯;支架微觀結(jié)構(gòu)表面存在明顯的微裂紋，壓縮強度未達到理想水平。為了獲得高質(zhì)量的分散均勻的漿料，通常會在分散體系中加入一定量的分散劑，雖添加量不大，但可明顯地改進多孔支架的物理性能，改善最終成型的支架質(zhì)量［14］。在氧化鋯漿料體系中，可加入聚乙烯醇［15］、磷酸三乙酯、聚乙烯醇縮丁醇［16］等作為分散劑和黏結(jié)劑。

本研究對聚乙烯醇縮丁醛(Polyvinyl butyral，PVB)作為分散劑的效果進行了研究評估，期望通過PVB 的添加增加氧化鋯陶瓷漿料的穩(wěn)定性，同時評估該漿料對研究成型的三維聯(lián)通納米氧化鋯骨組織工程支架強度的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器 制作陶瓷漿料的粉料為納米3Y-TZP(平均粒徑40nm，TOSOH，日本)。分散劑為PVB(Aldrich，美國)。有機模板為聚氨酯軟泡(60ppi，佛山冠德，中國)。

研究儀器主要有超聲振蕩器(VITASONICⅡ，VITA，德國)，高溫?zé)Y(jié)爐(KSL-1700X，合肥科晶，中國)，自動三重純水蒸餾器(SZ-97A，上海亞榮，中國)，數(shù)碼相機(IXUS801S，Canon，日本)，掃描電子顯微鏡(XL30，Philips，荷蘭)，萬能試驗機(3365，INSTRON，美國)。

1.2 實驗方法 用10 g 溶劑(95%乙醇與去離子水質(zhì)量比1∶1)分別配制5wt%納米氧化鋯懸浮液，加入不等量(0 ～0.3wt%)PVB，超聲分散1 h 并不斷攪拌。將各組懸浮液分別倒入10 mL 離心管內(nèi)，靜置1 周觀察其穩(wěn)定分散效果。

用于浸漬成型的氧化鋯漿料含量為60wt%，支架的制備方法采用課題組的成型方法［12］。制備好的支架用萬能實驗機測定其壓縮強度，掃描電鏡(SEM)觀察其孔隙結(jié)構(gòu)及支架表面形貌。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 13.0 軟件進行統(tǒng)計分析，定量結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較采用單因素方差分析(One-Way Anova)，組內(nèi)兩兩比較采用Bonferroni 校正方法。以P≤0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 PVB 的加入量對納米3Y-TZP 粉末分散效果的影響 實驗開始時乙醇基漿料及水基漿料分層明顯，上層為上清液，下層為白色沉淀，而添加了不同含量PVB 的氧化鋯乙醇水基漿料分層均不明顯，上層為白色的渾濁液，下層見白色沉淀，上下層分層不明顯，白色渾濁液明暗度不同。0.2wt% PVB 試管中可見白色渾濁液與底層的白色沉淀無明顯分界，顯示其分散效果好。見圖1。

圖1 沉降實驗結(jié)果圖Figure 1 Results of sedimentation experiment

2.2 不同PVB 含量的納米氧化鋯漿料制作的支架壓縮強度對比 不同PVB 含量的納米氧化鋯漿料壓縮強度研究結(jié)果見圖2。其中0.2wt%PVB 漿料制作的支架壓縮強度為(0.324±0.030)MPa，明顯高于其他濃度PVB 漿料，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P ＜0.01)。原有的去離子水漿料的支架壓縮強度［(0.109±0.021)MPa］明顯低于其他濃度PVB 漿料，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P ＜0.05)。不同濃度PVB(除0.2wt%以外)漿料支架壓縮強度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P ＞0.05)。

2.3 不同PVB 含量的納米氧化鋯漿料制作的支架掃描電鏡觀察 經(jīng)過燒結(jié)，除去模板后支架基本復(fù)制了原有的模板結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)了一個孔洞相互連通，三維貫通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率高，孔徑較大，分布均勻，基本無阻塞，與松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)極為相似。添加了PVB的漿料制作的支架燒結(jié)后表面存在的模板復(fù)制法制作支架與水基漿料支架相比，結(jié)構(gòu)破壞(裂紋，斷裂，孔洞)明顯減少，孔梁斷裂消失。而0.2%PVB支架展現(xiàn)出了一個相對完好的結(jié)構(gòu)，表面的裂紋數(shù)量及分布面積較小，孔梁較為完整，結(jié)構(gòu)破壞最少見圖3。

圖2 不同漿料制作的氧化鋯支架壓縮強度對比Figure 2 Compressive strength of the scaffolds prepared with different slurries

圖3 不同PVB 含量的納米3Y-TZP 漿料制作的支架表面形貌觀察結(jié)果Figure 3 Morphologies of the porous zirconia scaffolds fabricated using the slurries with or without

3 討 論

眾多學(xué)者們一直在研究骨組織缺損的修復(fù)和再生，研究內(nèi)容包括不同材料不同成型方法以及細胞的附著等［11，15，17－19］。氧化鋯陶瓷獨特的應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌機制使其具有較高的機械強度，生物惰性材料的特性使其具有很好的生物相容性，使其可以與其他生物材料混合或單獨作為生物材料應(yīng)用于骨組織工程研究［7，9，20，21］。

制備多孔氧化鋯支架的方法多種多樣，其中文中采用的模板制作法最為簡單便捷，無需復(fù)雜的設(shè)備，制作成本低。但本課題組初期制作的支架壓縮強度及初次成型率均未達到理想水平?；仡櫸墨I我們可知，模板復(fù)制法中漿料的制備是重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一，高性能的漿料不僅有利于成型，而且對保證制品的性能起重要作用［14，22－23］。為獲得高性能的漿料，可在漿料分散體系中加入分散劑、黏結(jié)劑以及消泡劑等。PVB 作為眾所周知的分散劑和黏結(jié)劑，因此我們選用了其加入我們的漿料體系中［7］。

PVB 不溶于去離子水，易溶于酒精。而為了有效改善有機泡沫體與氧化鋯漿料之間的潤濕性和黏附性，漿料基體中應(yīng)加入定量的95%乙醇［24］。因此，我們在曾用的水基分散體系中加入了95%乙醇。沉降實驗的結(jié)果證明選用PVB 作為分散劑對漿料性穩(wěn)定性有明顯改善作用。PVB 的分子鏈上有很多-OH，可以有效的吸附在納米氧化鋯晶體表面，阻止了晶體團聚現(xiàn)象的發(fā)生;PVB 作為大分子聚合物，在氧化鋯粉體之間形成的位阻層具有一定的厚度，因此PVB 的添加能有效的改善納米氧化鋯陶瓷漿料的穩(wěn)定性。在實驗過程中，我們可發(fā)現(xiàn)漿料的配制時間可縮短至8 ～12 h，較以往采用去離子水作為溶劑時的48 ～72 h 的配制時間明顯減少，說明PVB 作為分散劑作用明顯。但沉降實驗關(guān)于PVB 添加量的肉眼判定結(jié)果并不十分明確，因此我們配制不同含量的漿料并制作支架，根據(jù)壓縮強度和SEM 進一步評估PVB 的適宜含量。

壓縮強度結(jié)果顯示添加了PVB 后，支架的強度明顯增高，其中以添加含量為0.2%時強度提高最為明顯，且SEM 結(jié)果同時顯示此組支架的表面破壞(裂紋、斷裂、孔洞)最少。模板復(fù)制法在泡沫體燒結(jié)過程中不可避免的會出現(xiàn)裂紋，當(dāng)受到外力作用時，裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋迅速延伸擴展，使支架整體結(jié)構(gòu)受到破壞，因此理論上減少了支架的裂紋即可提高壓縮強度。我們添加PVB 后，使?jié){料更穩(wěn)定，能均勻地涂覆在泡沫體表面;并防止干燥燒結(jié)過程粉末過早分離海綿，且在分散和燒結(jié)過程中自身的形狀基本不發(fā)生改變，不影響支架的成型;而溶劑的改變也使?jié){料與泡沫體的親和性增加，提高了掛漿量;燒結(jié)過程中PVB 能防止燒結(jié)脫膠中支架過早塌陷，并減少裂紋和結(jié)構(gòu)破壞的數(shù)量。因此，我們發(fā)現(xiàn)加入PVB 后能明顯改善支架的壓縮強度和表觀形貌。但PVB 含量過少時，改善的效果不明顯，所以含量較低的組壓縮強度和表面形貌改善不明顯;PVB 含量過高時，則增加了漿料的黏度，易造成模板表面漿料涂覆不均勻以及孔筋交匯處漿料堆積，燒結(jié)時PVB 的揮發(fā)也會破壞支架的微觀形貌，最終使得支架表面的表面形貌破壞嚴(yán)重，影響了支架的壓縮強度。因此實驗結(jié)果顯示0.2wt%PVB 漿料的性能最穩(wěn)定，明顯提高了支架的壓縮強度，改善了支架的表面形貌。

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