四、生物活性玻璃骨组织工程支架的制备研究

目前临床应用的生物活性玻璃产品多为粉末状，只能用于填充非承重部位的骨缺损，而对于需要一定力学支撑的骨缺损部位则需要采用骨组织工程支架修复。近年来将生物活性玻璃制备成具有三维空间结构的支架材料成为研究的热点。目前对于骨修复支架材料的机械性能要求无统一标准。一般观点认为，支架应与植入部位的骨形态、结构和功能相适应，以使支架与骨的结合更优化。值得一提的是，支架的机械性能还要适应在成骨过程中，支架的降解和软组织的长入带来的变化。关于支架孔径的报道没有一定要求，一般接受的组织工程支架内部连通孔径大小范围约为150～500μm，这样不仅可以使细胞较容易地长入，而且可以促进新血管生成，同时有利于营养物质传输等。目前生物活性玻璃支架的制备方法有添加造孔剂法、聚合物泡沫模板法、定向冷冻成型法、气体发泡法、快速成型法和3D打印等，总结如下：

造孔剂法是最常见的支架材料制备方法，Jones等将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微珠和生物活性玻璃颗粒以质量比1∶1混合后烧结，得到生物活性玻璃多孔支架，结果表明PMMA烧结后不易产生遗留物，但支架孔径在很大程度上受PMMA微珠的粒径影响，而高分子造孔剂的粒径又很难达到统一，因此，造孔剂法制备的支架孔连通性很差，且孔结构可控性差。相比造孔剂法，有机模板法可在一定程度上提高支架孔洞连通性。Chen等将聚氨酯泡沫浸入生物活性玻璃浆料中，在250℃烧结3小时除去高分子，得到聚氨酯泡沫状的生物活性玻璃支架，孔洞连通性有所改善，但是支架力学性能较差，此法得到的45S5玻璃陶瓷支架抗压强度仅有0.4MPa。Sylvain Deville等利用冰晶替代高分子模板，通过控制冷冻方向和降温速率，而后在烧结前利用升华作用去除冰晶，从而得到取向性孔结构的支架，这种方法被称为“冷冻铸型法”。研究表明，通过冷冻铸型法制备的生物活性玻璃支架在垂直于冷冻方向上的孔具有一定的连通性，但平行于冷冻方向上孔洞连通性差。利用气体发泡法同样可以提高生物活性玻璃支架孔连通性。Lacroix等通过在生物活性玻璃溶胶中加入一定量的表面活性剂来稳定溶胶在搅拌过程中产生的气泡，在溶胶发生凝胶之前倒入模具，而后经700℃钙化后得到泡沫状生物活性玻璃支架。

3D打印技术作为一种新兴的材料成型工艺，与传统工艺相比，具有增材制造、快速一次成型、可构建复杂三维微观结构等技术特点。在生物医学领域，3D打印是目前发展最快，最具应用潜力的发展方向。目前采用3D打印技术制备骨修复材料的研究较多，而对于生物活性玻璃支架的3D打印研究则相对较少。Jones等早在2004年就提出泡沫溶胶-凝胶法制备3D打印生物活性玻璃大规模生产用于组织工程的想法，但是由于打印出的支架机械强度和断裂韧性较差，不能用于修复需要承受一定负重的骨缺损。Chang等采用聚乙烯醇（PVA）或海藻酸盐、普朗尼克为黏结剂与生物活性玻璃粉体混合后制成打印浆料，并且通过改进打印针头打印出中空结构的支架，且具有较好的机械性能。Zhao等采用模板法制备锶掺杂生物活性玻璃粉体后，以聚乙烯醇（PVA）为粘结剂采用3D打印技术制备含锶的介孔生物活性玻璃支架（Sr-MBG），该介孔支架孔径约400μm，高孔隙度（±70%），抗压强度约为（8.67±1.74）MPa，研究发现该支架有较好的成骨能力并能刺激MC3T3-E1细胞增殖和分化。Bergmann等采用3D打印技术制备β-磷酸三钙/生物活性玻璃复合支架，其弯曲强度达到14.9MPa。Zhao等采用3-羟基丁酸与3-羟基己酸共聚酯（PHBHHx）为粘结剂，制备生物活性玻璃复合支架，发现支架抗压强度为5～12MPa，与其他黏结剂相比，PHBHHx更有利于细胞的黏附增殖，以及成骨相关基因的表达。本课题组在前期采用溶胶-凝胶法结合有机模板法合成生物活性玻璃微球的基础上，采用甲基纤维素为粘结剂制备生物活性玻璃支架，并通过支架后处理，可实现抗压强度达到 22MPa（图9-10）。