摘要：研究背景骨组织工程（Bone tissue engineering,BTE）对骨替换材料的要求较为严苛,不仅要求骨替换材料易成型,力学性能优异,化学性能稳定,而且需要具备良好的生物性能。氮化硅（Silicon nitride,β-Si3N4）陶瓷是一种综合性能良好的生物陶瓷材料,有望在骨组织工程中发挥重要作用。氮化硅陶瓷的主要晶相是三维网状结构的β-Si3N4,Si-N键是强共价键,赋予了氮化硅陶瓷优异的力学性能,但也导致氮化硅陶瓷难以通过低温固相自烧结制备,故存在烧结困难,不易成型,加工困难等难题,限制了氮化硅陶瓷在骨组织工程中的发展和应用。最近一些研究表明,通过Al-O键部分置换β-Si3N4中的Si-N键制备出的β-SiAlON（Silicon aluminum oxynitride,SiAlON）陶瓷,不仅具有与β-Si3N4相近的力学性能,还更易烧结和成型,有望成为新型生物陶瓷材料。β-SiAlON是β-Si3N4的固溶体,化学式是Si6-ZAlZOZN8-Z,化学式中的Z值是Al、O原子分别取代Si、N原子的个数,其范围是0<Z<4.2。β-SiAlON陶瓷具有与β-Si3N4相似的晶体结构,还有着相近的力学性能。这种局部化学键的取代使β-SiA1ON的无序度增加,在烧结过程中极易产生大量的瞬时液相,使β-SiAlON的烧结性能得到了大幅的改善。β-SiAlON陶瓷除了晶体结构与β-Si3N4相同,还含有大量Al-O键,所以具备β-Si3N4和氧化铝（Aluminium oxide,Al2O3）两种材料的多种优良的理化性能。β-SiAlON陶瓷的理化性能可以通过改变其Z值,添加烧结助剂,复合其他材料来调控,有利于在β-SiAlON陶瓷基础上制备不同理化性能的β-SiAlON陶瓷材料,使β-SiAlON基陶瓷具有满足人体骨骼不同部位骨替换材料性能需求的潜力。目前有文献报道,β-Si3N4和A12O3具有良好生物学性能,但是β-SiAlON基陶瓷是否具有良好的生物学性能还有待探索。研究目的本课题通过直接氮化法制备出β-SiAlON陶瓷,通过研究物相组成、微观形貌及检测耐压强度等力学性能,明确Z值变化、烧结助剂氧化钇（Yttrium oxide,Y2O3）和添加剂氧化锆（Zirconium dioxide,ZrO2）陶瓷含量的变化对β-SiAlON基陶瓷的烧结性能,理化性能和力学性能的影响;通过细胞黏附、生长、增殖和诱导成骨分化等实验,研究Z值变化、烧结助剂Y2O3和添加剂ZrO2的对β-SiAlON基陶瓷的生物性能的影响,进而评估β-SiAlON基陶瓷作为生物陶瓷的潜力,为β-SiAlON基陶瓷在骨组织工程中的研究和应用奠定理论基础。研究方法1.本研究通过直接氮化法制备不同Z值的β-SiAlON陶瓷试样,在Z值为2的β-SiAlON陶瓷的基础上分别加入烧结助剂Y2O3和添加剂ZrO2制备出含Y2O3的β-SiAlON陶瓷试样和β-SiAlON-ZrO2复合陶瓷试样。2.应用X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）分析确定试样的物相组成。3.使用具备X射线能谱仪的扫描电子显微镜（Scanning electron microscope-Energy dispersive x-ray analysis,SEM-EDAX）观察并分析试样的微观形貌及元素分布。4.使用阿基米德排水法测定试样体积密度和显气孔率。5.应用微机控制压力试验机测试试样的耐压强度,抗折强度,杨氏模量。6.使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（Inductively coupled plasma optical emission spectrometry,ICP-OES）和 pH 计检测试样的化学稳定性。7.使用 X 射线光电子能谱分析仪（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）通过测量光电子的能量,检测试样中元素的配位环境。8.使用激光扫描共聚焦显微镜（Confocal laser scanning microscope,CLSM）观察试样表面细胞黏附及生长。9.应用细胞计数试剂盒-8（Cell counting kit-8,CCK-8）检测试样表面细胞增殖。10.使用用成骨诱导培养液诱导成骨细胞分化,通过观察茜素红染色矿化基质,实时荧光定量聚合酶链式反应（Quantitative real time polymerase chain reaction,qRT-PCR）检测成骨分化相关因子表达验证试样促进成骨细胞分化的能力。研究结果1.通过直接氮化法制备出β-SiAlON陶瓷,研究不同Z值对β-SiAlON复合陶瓷物理性能,化学性能和生物性能的影响。1)随着Z值增加,试样的体积密度先急速增加,后又缓慢上升,且试样的耐压强度也随着β-SiAlON的生成而大幅增加至269.45 MPa。2)小鼠颅顶前骨细胞（MC3T3-E1）可在材料表面正常黏附,生长和增殖,且在72 h时,细胞OD值达到最大。3)所有试样浸提液诱导的细胞均在培养的第7天以后出现矿化基质,且矿化基质数量随着成骨诱导分化的时间的增长而增加。且在第7天时,试样SL-2的ALP和COL-I的表达明显高于SL-0（P<0.05）。2.通过在Z值为2的β-SiAlON陶瓷中加入不同含量的稀土氧化物Y2O3为烧结助剂,研究烧结助剂Y2O3的加入对β-SiAlON陶瓷物理性能和生物性能的影响。1)当把Y2O3加入到β-SiAlON陶瓷中后,试样的体积密度明显增大,显气孔率显著下降,在Y2O3的含量为4 wt%的时候,试样的体积密度达到最大值2.37 g/cm3,显气孔率达到最低值25.20%。试样的耐压强度变化趋势与体积密度趋势一致。2)MC3T3-E1细胞与不同Y2O3含量的试样共培养结果显示,细胞可以在试样表面很好的黏附和生长,细胞数随着培养时间增长而明显增加。在72 h时,细胞数达到最大值。在24 h和48 h时,SLY-2试样上的细胞增殖,与其他试样结果相比,存在明显差异,具有统计学意义（P<0.001）。3.通过在Z值为2的β-SiAlON陶瓷中加入不同含量的ZrO2制备出一系列β-SiA1ON-ZrO2复合陶瓷,研究ZrO2含量变化对β-SiAlON-ZrO2复合陶瓷理化性能和生物性能的影响。1)随着β-SiAlON陶瓷中加入添加剂ZrO2含量的增加,试样的体积密度明显增大,试样SZ-5的体积密度最大4.29 g/cm3;显气孔率先缓慢下降,后又急速下降至2.16 g/cm3;同时,试样SZ-5的抗折强度达到最大值57 MPa,杨氏模量值也达到最大值9.50 Gpa。2)MC3T3-E1细胞与不同ZrO2含量的试样共培养结果显示,细胞可以在试样表面很好的黏附和生长,细胞数随着培养时间增长而明显增加。MC3T3-E1细胞在培养24 h时,细胞增殖不明显,在培养48 h时才开始增殖,于72 h后,OD值达到最大值。在72h时,SZ-4和空白对照比无统计学意义（P>0.05）。3)用SZ-2试样浸提液培养的MC3T3-E1细胞具有最佳的迁移能力,试样SZ-2试样浸提液培养的MC3T3-E1细胞伤口愈合能力显著高于SZ-5（P<0.01）。研究结论1.Z值变化可以调控β-SiAlON陶瓷的体积密度、显气孔率和耐压强度,较小Z值的β-SiAlON陶瓷可以促进细胞的成骨分化,是一种潜在新型生物陶瓷材料。2.通过控制烧结助剂Y2O3的含量可以调控β-SiAlON陶瓷的显气孔率,进而影响成骨细胞的生长和增殖,满足骨修复材料的不同需求。3.添加剂ZrO2的添加可以增强β-SiAlON-ZrO2复合陶瓷的抗折强度;适量添加ZrO2可以促进细胞的迁移。4.可以通过改变Z值、Y2O3或ZrO2的含量,调控β-SiAlON基陶瓷的理化性能和生物性能,满足骨组织工程对生物陶瓷材料的不同性能需求,为β-SiAlON基陶瓷在骨组织工程中的研究和应用奠定理论基础。

关键词：

β-SiAlON基陶瓷;物理性能;力学性能;细胞黏附;细胞增殖;成骨分化;