【摘 要】
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第一部分 3D打印HA表面周期性微观结构的制备及其成骨性能研究背景:通过涂层、酸蚀、阳极氧化、微弧氧化等方法对陶瓷材料表面加工处理,可以促进材料的成骨性能。但是这些方式对于材料表面的加工处理是随机的和不规律的,无法对材料功能性表面的形成进行精确设计。飞秒激光作为一种相对清洁能源,能够对材料表面进行可控的周期性微观结构加工,从而制备出改变细胞黏附、增殖和蛋白表达的微观结构,是一种具有研究潜力和价值的
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第一部分 3D打印HA表面周期性微观结构的制备及其成骨性能研究背景:通过涂层、酸蚀、阳极氧化、微弧氧化等方法对陶瓷材料表面加工处理,可以促进材料的成骨性能。但是这些方式对于材料表面的加工处理是随机的和不规律的,无法对材料功能性表面的形成进行精确设计。飞秒激光作为一种相对清洁能源,能够对材料表面进行可控的周期性微观结构加工,从而制备出改变细胞黏附、增殖和蛋白表达的微观结构,是一种具有研究潜力和价值的表面加工方式。羟基磷灰石（HA）作为天然骨最主要的成分,对其表面进行可控的周期性微观结构制备,可能会改变材料的界面性能,为HA的进一步临床应用提供新的思路。目的:研究飞秒激光对3D打印的HA材料表面进行周期性微观结构制备的可行性,以及不同微观结构HA的体内外生物学性能。方法:（1）使用Magics软件进行实验样件的尺寸设计,通过陶瓷3D打印机将课题组前期改良的HA浆料进行打印、脱脂和烧结,以获取实验所需样品。使用飞秒激光设备对HA样件表面分别进行宽度20 μm,深度为10 μm的沟槽结构加工,实验组设置沟槽间距为20 μm、30μm和40 μm。（2）使用扫描电镜对不同组样件微观结构进行观测,同时运用激光共聚焦显微镜和静态接触角测量仪分别测定样件表面粗糙度和接触角。（3）运用细胞生物学实验验证不同微观结构HA的细胞黏附、增殖性能差异,并且通过兔颅骨缺损模型评估不同结构样件的骨整合性能。结果:（1）使用飞秒激光对HA表面进行加工以后未出现样件断裂等问题,扫描电镜观察到微观沟槽加工宽度为18-20 μm,深度为8-10 μm,沟槽间距符合预先的设计尺寸。（2）粗糙度测定结果显示材料飞秒激光加工后表面平均粗糙度增大;接触角测定结果显示飞秒激光加工后HA材料表面接触角由约40°降低至10°以内。（3）细胞黏附实验结果表明微观沟槽结构诱导细胞沿着长轴方向黏附,细胞增殖结果显示沟槽结构对细胞早期增值有一定促进作用;兔颅骨缺损模型实验表明材料植入后初期稳定,无明显炎症反应。结论:使用飞秒激光对HA材料表面进行飞秒激光处理以获得具有周期性微观结构的样件是可行的一种方法,其形成的微观结构增大了材料表面粗糙度和亲水性,对细胞黏附形态有一定诱导作用,同时粗糙的表面结构增大了细胞黏附能力.兔颅骨植入实验结果表现出各实验组良好的骨整合性能。第二部分HA/Si3N4复合陶瓷材料的表面周期性微观结构的制备及其成骨性能研究背景:课题组前期将HA与Si3N4进行复合,通过压模及烧结获得了 HA/Si3N4复合陶瓷材料,并且验证了其优于单纯HA材料的细胞增殖、黏附以及体外诱导成骨性能。本研究中,结合飞秒激光构建的表面周期性微观结构,在增加硅离子释放的同时增大了细胞与材料表面的接触,促进成骨相关细胞在其表面的黏附与增殖。通过以上方法,有望制备出一种兼具机械性能和成骨诱导能力的骨替代物。目的:探究HA/Si3N4复合陶瓷材料不同表面微观结构的制备可行性以及不同表面微观结构的复合陶瓷对成骨相关细胞的增殖、黏附以及成骨分化的影响。方法:（1）对一定比例的HA和Si3N4原材料进行混合、搅拌、压模以及高温烧结获得HA/Si3N4复合陶瓷样件。使用和第一部分实验相同的飞秒激光处理手段进行表面周期性结构的加工,获得不同表面微观结构的实验样品,然后通过扫描电镜观测其表面形态的差异。（2）使用激光共聚焦显微镜和静态接触角测量仪测定不同表面的粗糙度和接触角。（3）运用CCK-8法测定MC3T3-E1细胞增殖水平,通过荧光染色法观测MC3T3-E1细胞在材料表面黏附状态。将MC3T3-E1细胞与HA/Si3N4复合材料共培养,测定碱性磷酸酶活性,以评估其成骨相关性能的差异。结果:（1）通过压模处理和飞秒激光加工,成功获得了具有不同表面沟槽结构的HA/Si3N4复合陶瓷样件。使用扫描电镜观察,样件表面微观结构形态完整,加工精度较高,沟槽清晰无断裂。（2）粗糙度和亲水性检测结果显示具有沟槽结构的材料表面相比于无沟槽材料表面,其粗糙度显著增加,接触角减小,20μm和40μm组接触角接近0°。（3）免疫荧光结果表明表面沟槽结构能够诱导细胞沿着其长轴你黏附;CCK-8测定结果显示沟槽结构组OD值高于非沟槽组OD值;ALP测定结果表明,激加工组的ALP活性均高于未加工的对照组。结论:飞秒激光处理形成的微观结构不仅能够增大复合陶瓷材料粗糙度和亲水性,同时对成骨细胞的黏附和增殖均具有一定的改善作用。具有周期性微观结构的HA/Si3N4复合陶瓷具有更好的骨诱导能力。
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