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研究背景和目的:骨缺损(bone defect)是创伤骨科常见的临床问题,也是一种具有挑战性的难题,常由暴力性损伤、感染、肿瘤和植入物介入等原因导致。大面积的骨缺损或骨缺损处理不当将会导致骨的不愈合甚至坏死,最终只能行截肢术治疗。目前,骨缺损的治疗方法有自体骨和异体骨移植,但骨来源的短缺和排异反应的出现又赋予其一定的局限性。生物玻璃(bioglass,BG)是一种促进骨组织缺损愈合并实现其生理功能的生物材料,因其具有良好的成骨活性和生物相容性而有望成为骨缺损修复的新型替代材料。钴(Co)离子可以产生类缺氧反应,刺激多种血管生成因子的产生。本课题通过植物藕带合成了一款具有多孔结构的生物支架(lotus sprout scaffold,LSS),将BG和Co负载于其上,最终设计出了一款仿生骨单位结构的生物玻璃(COBG@LSS),这种生物玻璃在具备良好成骨活性的同时又促进了骨血管和神经生成,有望为临床上大型骨缺损的治疗提供一种更有效的骨替代材料。方法:(1)合成藕带生物炭支架:通过把藕带进行反应釜煅烧和真空干燥机干燥得到具有多孔结构的藕带生物炭支架;(2)合成普通生物玻璃和含钴生物玻璃:采用溶胶凝胶法制备硼酸盐生物玻璃。再在生物玻璃中掺入钴,制备含钴生物玻璃。(3)合成藕带支架生物玻璃:将制备好的多孔藕带生物炭支架置入生物玻璃溶液中,待形成凝胶后,经切割定型、煅烧后得到藕带支架生物玻璃和藕带支架含钴生物玻璃。(4)生物玻璃结构观察:通过扫描电子显微镜(SEM)对藕带生物炭支架、生物玻璃、含钴生物玻璃以及藕带支架含钴生物玻璃进行观察,验证改良后的藕带支架生物玻璃存在的多孔结构,并运用了能谱技术(EDS)检测了其元素构成;(5)生物相容性实验和细胞粘附实验:将生物玻璃浸泡在人工模拟体液(SBF)中,检测其质量改变和PH变化;将藕带支架生物玻璃材料与大鼠骨髓间充质干细胞共培养,扫描电子显微镜下观察材料表面细胞黏附情况。(6)材料毒性检测:将藕带支架含钴生物玻璃与大鼠骨髓间充质干细胞共培养,采用CCK8法以及活死细胞荧光染色法检测细胞的存活率,从而验证材料毒性。(7)成骨性能以及骨的促血管、促神经功能检测:将普通生物玻璃、含钴生物玻璃、藕带支架生物玻璃、藕带支架含钴生物玻璃以及空白对照组分别植入大鼠颅骨缺损模型,28天后通过MicroCT观察颅骨愈合情况,并通过蛋白质印迹法检测成骨相关蛋白COL-1,OCN以及血管相关蛋白VEGF,促神经生长相关蛋白GFAP的表达量。结果:(1)SEM观察结果提示具有多孔结构的生物玻璃成功合成;(2)细胞粘附实验:SEM下观察到与大鼠骨髓间充质干细胞共培养的生物玻璃表面有大鼠BMSCs黏附;(3)材料毒性实验:CCK8法以及活死细胞荧光染色法结果显示BMSCs在藕带支架含钴生物玻璃中具有较好的细胞存活率,且低浓度材料浸渍液对细胞存活率基本无影响;(4)动物实验:Micro CT结果显示,与空白对照组相比,植入生物玻璃、含钴生物玻璃以及藕带支架生物玻璃和藕带支架含钴生物玻璃材料组在造模28天后颅骨缺损面积更小,其中藕带支架生物玻璃组和藕带支架含钴生物玻璃组颅骨缺损接近完全愈合;(5)蛋白质印迹实验:与空白对照组相比,生物玻璃组、含钴生物玻璃组、藕带支架生物玻璃组以及藕带支架含钴生物玻璃组成骨相关蛋白COL-1,OCN高表达,血管相关蛋白VEGF高表达,促神经生长相关蛋白GFAP高表达,其中藕带支架含钴生物玻璃组四种蛋白表达量又高于生物玻璃组、含钴生物玻璃组和藕带支架生物玻璃组。结论:(1)通过溶胶凝胶法我们成功的制备了生物玻璃和含钴生物玻璃,此外,我们通过仿生物学方法得到了具有多孔结构的藕带生物炭并成功负载了生物玻璃,使得二者的优势得以整合;(2)具备多孔仿生结构的植入物不仅有着更好的生物相容性,而且这种多孔的结构可以更快速的促进骨愈合,在骨形成的过程中兼顾血管和神经的长入,模拟了人体的哈弗斯系统骨单位结构。