（高分子化学与物理专业论文）电活性生物骨修复复合材料bthapvdf的制备和性能研究.pdf

电活性生物骨修复复合材料( b t h a ) p v d f 的制备和性能研究 摘要 本文讨论了钛酸钡羟基磷灰石聚偏氟乙烯( ( b t i - i a ) p v d f ) 高介电复合薄膜的制备方法，研究了包括复合材料介电性能在内的各 项性能。在制备纳米钛酸钡羟基磷灰石聚偏氟乙烯复合材料时，利 用超声分散法将纳米级的钛酸钡颗粒和羟基磷灰石颗粒较为均匀地 分散在聚偏氟乙烯基体中，制备出综合性能优异的纳米钛酸钡羟基 磷灰石聚偏氟乙烯高介电复合薄膜。主要工作如下： ( 1 ) 通过考察两相h a p v d f 复合薄膜材料的介电常数随h a 体 积含量的增加而变化的趋势，考察生物活性陶瓷h a 的介电性能。 ( 2 ) 将体积比例恒定的h a 和p v d f 做为基体相，改变第三填料b t 的量的时候，考察三相复合材料的微观结构以及陶瓷材料在基体中的 分散情况，。 ( 3 ) 不同体积含量b t 的三相复合( b t h a ) p v d f 薄膜材料的介 电常数随频率变化的趋势；把b t 作为填料，h a p v d f 作为基体相， 复合材料的介电常数与b t 的含量的关系。复合材料的介电损耗与频 率的关系。 ( 4 ) 三相复合材料的介电常数与温度的关系，并考察复合材料的 微观结构对这种关系的影响。 北京化工大学硕。l - 学位论文 ( 5 ) 将体积比例恒定的b t 矛i j p v d f 作为基体相，改变填料h a 的量 的时候，当h a 的体积分数逐渐增加的时候，复合材料的介电常数和 介电性能所收到的影响。 关键词：聚偏氟乙烯，纳米羟基磷灰石，钛酸钡，高介电，组织 工程材料 i i 北京化工大学硕士学位论文 f a b r i c a t i o na n ds t u d yo n ( b t - h a ) p v d f e l e c t r o a c t i v eb o n e r e c o v e r yb i o m a t e r 工a l a b a s t r c t ( b a r i u mt i t a n a t e 一) p o l y ( v i n y l i d e n ef l u o r i d e ) h y d r o x y a p a t i t e n a n o c o m p o s i t ef i l m sw i t hh i 曲d i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t ya n db i o a c t i v i t y w h i c hc a l lu s e df o rf u t u r ea p p l i c a t i o ni nb o n yr e s t o r a t i o na n db o n yf i l l i n g w e r ep r e p a r e db yp h y s i c a lm i x i n gp r e c e s s ，w h e r et h ep v d fp e l l e ts h a p e w a sd i s s o l v e di nd i m e t h y l a c e t a m i d e ( d m f ) a n di ns e p a r a t ec o n t a i n e r s h a d m - fs u s p e n s i o na n db t d m fs u s p e n s i o nw e r ea l s om a d e s o o n a f t e r w a r d st h e yw e r em i x e dw i t hb tv o l u m ef r a c t i o no f15 ，19 ，2 2 a n d2 6 a n dl e f tt od r yi ng r e e n h o u s ea n df i n a l l yt h ef i l m sw e r em o l d e d b yh o t p r e s s i n g t h ed i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yo ft h es a m p l ew i t h2 6 v o l u m ef r a c t i o no fb ti sv e r yh i 曲h i g h e rb e c a u s eo ft h ec o u p l i n ge f f e c t i n d u c e db yc o n t i n u o u sp h a s ei n t e r f a c eb e t w e e nb tp a r t i c l e s t h i sh i 曲 d i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t ym a yh a v ep o t e n t i a lu s ei ns h o r t e nt h et i m eo fb o n e r e c o v e r y t h ev i s c o s i t y o ft h es o l u t i o ni n c r e a s e s g r a d u a l l y w i t h e v a p o r a t i o no ft h es o l v e n t ，w h i c hc a ng u a r a n t e eh o m o g e n e o u sd i s p e r s i o n o ff i l l e r si nt h em a t r i x w h e nn a n o s i z ep a r t i c l e sh ai n c r e a s e di nt h e c o m p o s i t e ，t h ed i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yd e c r e a s e ds l i g h t l y , w h i c hi l l u m i n a t e t h a tt h ed i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yo f p u r eh a i sa l m o s tt h es a m ea sp v d ei n 北京化下大学硕i ：学位论文 o r d e rt oi n c r e a s et h ed i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yo ft h ec o m p o s i t e ，b tw a s a d d e d w h e nb tc o n t e n ti n c r e a s e di nac e r t a i nd e g r e e ，t h eo p t i m u m d i s p e r s i o n o fm i x t u r e sw o u l db ea c h i e v e d b y v i r t u eo ft h e c o i n s t a n t a n e o u se f f e c to ft w oa d s o r p t i o na c t i o n s i nf a c t ，t h ed i e l e c t r i c p e r m i t t i v i t yi n c r e a s e sr e g u l a r l ya sb tc o n t e n ti n c r e a s e sd e p e n d i n go n f r e q u e n c y a s t o d e p e n d i n g o nt h e t e m p e r a t u r e ，w h e nt h ev o l u m e c o n c e n t r a t i o no fb ti s2 6 n a n o s i z eb t ，t h ed i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yo ft h e m i x t u r ei sm u c hh i g h e rt h a no t h e rm i x t u r e sb e c a u s eo ft h ec o u p l i n ge f f e c t i n d u c e db yc o n t i n u o u sp h a s ei n t e r f a c eb e t w e e nb tp a r t i c l e s t h a ti st o s a yas t r o n gi n t e r f a c ep o l a r i z a t i o nc a nb ei n d u c e d b e s i d e s ，t h es a m p l eo f ( b t - h a ) p v d fw i t hb tv o l u m ef r a c t i o no f2 6 h a st h es h a r p e s t i n c r e a s i n ga t8 0 10 0 0 c ，e x c e p tf o rc o u p l i n ge f f e c t ，t h es e c o n dr e a s o n m a y b e i nt h i ss a m p l e ，t h eb t p a r t i c l e sa r ee n o u g ht om a k et h ec o m p o s t i e m a i n l yd i s p l a yt h ep e r f o r m a n c eo fp u r eb tw h i c hh a v eao b v i o u s n o n l i n er u l ew h i c hi n c r e a s e ds h a r p l yw h e ni te x p e r i e n c et h ep h a s e t r a n s i t i o n ，e s p e c i a l l yt h ec u b i c t e t r a h e d r a l t r a n s i t i o n k e yw o r d s ：b i o a c t i v i t y ；h y d r o x y a p a t i t e ；e l e c t r o a c t i v i t y ；b t ； p o l y ( v i n y l i d e n ef l u o r i d e ) 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：墟磊盘 日期：作者签名： 鲤蟹整 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：型受：竺：塑 日期：丝卜厶l 北京化工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 战争、交通事故、工伤、运动创伤、疾病和自然灾害等原因造成的骨折、骨 缺损和骨缺失伤患人数全世界每年达几百万一。国际骨科修复器材以1 4 7 亿美元 的年销售额约占世界医疗器械产业年销售额的1 1 0 ，且年增长率高达2 6 。美国 每年的骨修复手术近1 0 0 万例，约8 0 需要植入人工骨材料。国内每年因交通 事故、工伤等造成的骨组织缺损或缺失伤员超过3 0 0 万人。而当前骨修复生 物医用材料及制品相对巨大的市场需求则显现出品种规格不全，数量不足等问 题，不能满足临床手术需要。 自体骨和异体骨是当前骨损伤修复广泛采用的植入材料。自体骨易被患者接 受，但会造成患者的二次损伤和痛苦；异体骨取材简便，但存在免疫排斥和疾病 传播等生物安全性隐患。因此人工骨组织修复生物医用材料越来越受到临床青 睐，它是一类可对机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的材料， 该类材料在临床的应用，为伤( 患) 者恢复正常的生理功能，创造自立和自强的 生活提供了可能，同时也可避免采用自体骨和异体骨所带来的问题。为获得化学 组成、聚集态结构和性能与自然骨接近的骨修复材料，模仿自然骨的组成结构和 功能，得到具有较佳力学性能( 强度高、韧性好) ，弹性模量与入骨匹配且具有 良好生物相容性和生物活性的仿生骨医用生物修复材料已成为近年来该领域研究 热点之一。 1 2 自然骨的结构 在骨组织工程材料研究中，材料科学工作者总是试图尽可能接近地来模拟 由历时达数亿万年之久才达成的精致的骨的结构( 见图1 1 ) 。了解骨的结构对于骨 替代复合材料的微观结构设计具有极其重要的意义。 1 2 1 自然骨的成分组成和多层次结构 北京化t 人学碰十学位论立 图1 - 1 长骨骨干结构模式图 f i 9 1 - 1 m o d e l o f t h e b o n es m m 骨骼由细胞和骨基质构成。其中，细胞又分为骨原细胞、成骨细胞、骨细胞、 破骨细胞等多种类型。骨原细胞是成骨细胞的前提细胞，可分化形成成骨细胞。 成骨细胞可分泌并钙化骨基质。包埋在骨基质中的成骨细胞即分化形成骨细胞， 位于骨陷窝中，并有大量的细胞突起通过骨小管彼此相连。这三种细胞统称为成 骨细胞系细胞，负责骨的形成和维持。破骨细胞由多个单核细胞融合而成。可向 骨基质中分泌蛋白酶和一些酸性物质，具有降解骨组织的能力。主要负责骨的吸 收和重建。 骨骼是一种高度结构化的器官( 参见图1 2 ) 成熟骨骼的围观结构可分为松 质骨和密质骨两种形式。松质骨分布在骨骺处和骨干内表面，呈针状或片状，称 作骨小粱。骨小粱按应力方向规则排列，形成海绵状结构。密质骨分布在骨干处， 表现为四种结构方式：外环骨板、内环骨板、骨单位、骨间板。其中，骨单位与 载荷诱导的骨生长关系最为密切。骨单位叉称h a v e r s i a n 系统由1 0 2 0 层骨板 咀同心圆方式排列成筒状，轴心是纵行的h a v e r s i a n 管( 又称中央管) ，内含毛 细血管和神经。纵行的h a v e r s i a n 管由横行的v o l k m a n 管( 又称穿通管) 相连， 形成复杂的管道系统。骨小管也与该管道系统连接。 北京化工大学硕士学位论文 i 婀 纤维柬 磷酸钙 3 - 7 1 a n ) 宏缆屡次 亚微观屡次 缀瑰屡次 图1 2 长骨不i 司层次f 结构组织 f i 9 1 - 2s r u c t u r eo f t h eb o n eu n d e rd i f f e r e n t 1 e v e l s 在骨基质中，其主要成分是胶原( 2 0 w t ) ，磷酸钙盐类即骨盐( 6 9 w t ) ，主要以 结晶羟基灰石的形式存在，水( 9 叭) 。胶原在骨组织中以骨胶纤维的形式存在， 属于杰型胶原蛋白，其纤维直径在1 0 0 - - 一2 0 0 0 n 之间变化，纤维与纤维之间存在 编织两种排列方向。胶原纤维的网状同轴结构体( 胶原纤维束，见图1 2 ) 在骨中 的排布大致上类似胶原纤维之间的排布，如此构成骨基质的基本结构一。从骨的 结构分析来看，可以分成两个不同结构层次的复合：h a 增强胶原纤维构成3 7 u m 的同轴层环状结构和在u m m m 尺度上骨小管增强间隙骨。骨盐主要以针 状结晶羟基磷灰石以及无定形磷酸钙的形式分布在胶原基质上一。针状结晶羟基 磷灰石长约4 0 6 0 n m ，宽约2 0 h m ，厚约3 - - 一5 n m 。它的结晶方向沿胶原纤维的长 轴分布，晶体的中心晶轴( c 轴) 与胶原纤维的长轴平行。羟基磷灰石结晶体因为胶 原层与层的重叠，构成了骨盐的框架结构。人体骨通过非常复杂的方式巧妙地将 有机的骨基质结构与无机的骨盐框架结构互相紧密地结合起来，在人体中实现 生物和力学上要求。因此，人体骨可以看成一种天然无机物高聚物聚合材料。 从材料学角度来看：分布在胶原纤维表面羟基磷灰石微晶，可认为骨是一种无 机相增强高分子聚合物材料；而从羟基磷灰石的框架结构来看，却可认为骨是一种 弹性的高分子聚合物增韧的羟基磷灰石基的复合材料；如强调胶原纤维束的自强 化作用，则骨又可认为是一种纤维自增强的复合材料。这一切给材料工作者在设 计骨替代材料结构中，提供非常重要的启发和思路，促进骨替代材料研究和发 展。 1 2 2 自然骨促进新骨生长的机理 3 北京化工大学硕十学位论文 在生长活跃的骨组织中有四种骨细胞，即骨原细胞、成骨细胞、骨细胞、破 骨细胞、他们在骨生长过程中分别起着两种相互制约的作用： 骨组织的形成：通过发生学和组织学方面的研究，科学家发现在骨外膜内 层、骨内膜和红骨髓中存在高活性的间充质细胞，可分化为骨祖细胞，骨祖细胞 再增值分化为成骨细胞，成骨细胞分泌类骨质并将自身包埋其中，进而转化为骨 细胞，而类骨质则转化为骨质，从而形成骨组织。 骨组织的吸收：骨组织形成的同时，破骨细胞向局部释放多种蛋白酶、乳 酸和柠檬酸等，并在这些酶和酸的作用下溶解并吸收骨质，使骨质局部形成陷窝。 通常，一个破骨细胞可以溶解吸收由1 0 0 个成骨细胞形成的骨质。 两种作用同时发生，动念平衡。成骨细胞与破骨细胞通过相互调控，共同完 成骨组织的形成和吸收，保证骨的生长发育与个体的生长发育相适应。 此外，还存在许多调节骨细胞活性的生长因子转化生长因子( t g f ) 、 骨形态发生蛋白( b m p ) 。它们使骨组织自我修复的启动因子和加速剂，具有诱 导多种未分化或未成熟细胞如骨原细胞、骨髓基质细胞等未分化成为成骨细胞的 能力，能极大的促进骨折和骨缺损部的骨形成，加速愈合进程。 1 9 5 7 年f u k a d a 和y a s u d a 通过实验发现干骨具有力电性质。这一发现引起 了人们的广泛关注，并产生了关于w o l f f 功能适应定律作用机理的假说。实验研 究表明，湿骨和干骨的力电效应的机理各不相同：干骨中产生的是压电效应，而湿 骨的力电效应则是由流动电位和压电效应共同产生的，对骨组织而言，正常生理 活动的作用可导致骨骼的局部变形，即应变、微观损伤、压电电位、骨小管内液 体流动和流动电位。骨骼局部应变是载荷作用的直接结果。载荷可以诱导骨的电 位变化，从而可能导致骨顺应反应。此外，骨生长的程度与应变峰值和加载频率有 关，而且应变引起的骨小管内液体流动速度也与应变率密切相关。 骨的应变可在骨内产生电位变化，包括压电电位和流动电位。f u k a d a 等人 发现，干骨具有压电现象，且证明该现象由骨中的胶原纤维产生。b e c k e r 和m u r r a y 报道，电场能够刺激活蛙成骨细胞。至于流动电位，则是源于骨小管内液体的流 动。应变的空间梯度可在骨小管内生成压力梯度，从而驱动骨小管内液体的流动。 骨的表面( 包括骨小管表面) 本身荷有负电荷，骨小管内的液体流经该负电表面 时，液体中带有正电荷的粒子将不断吸附到骨表面上，从而形成沿流动方向的电 位差。m c l e o d 等人报道，给在体骨骼施加电磁场可促进骨形成而抑制骨吸收。 这些结构表明电位变化可能促进骨骼的生长。 1 3 骨修复材料的作用机理 4 北京化工大学硕士学位论文 骨修复就是在骨缺损处植入一种或几种与人体天然骨成分相近并具有一定 强度的材料，在天然骨进行创伤自修复期间维持骨的稳定结构及机体的正常运 动，辅助天然骨的生长，诱导、加速骨自我修复的速度，待新骨生成、缺损愈合 后，骨修复材料又可生物降解，通过新陈代谢排除体外。其作用原理包括三个方 面：( 1 ) 骨生成作用( o s t e o g e n e s i s ) - 骨生成材料中包含了具有分化成骨潜能的 活细胞，具有骨形成作用；( 2 ) 骨传导( o s t e o c o n d u c t i o n ) ：植入材料通过促进宿 主骨与移植材料表面的结合，引导骨形成；( 3 ) 骨诱导( o s t e o i n d u c t i o n ) ：其材 料通过提供一些生物刺激，诱导局部细胞或移植的细胞分化形成成熟的成骨细 胞。 1 4 骨修复材料的分类 作为硬组织替代材料，在力学性能和生物学性能方面要尽量与硬组织相似。 现有的硬组织替代材料主要有金属材料、高分子材料、陶瓷材料以及它们的复合 材料。 1 4 1 医用金属材料 生物医用金属材料是最常用的骨替换材料之一，主要用于整形外科和牙科领 域。医用金属材料常作为受力器件植入体内，如人工关节、人工椎体、骨折内固 定钢板、骨钉、牙种植体等。金属骨替换材料的选择标准应是：引起的生物反应 最小。由于力学和环境的共同要求，用于骨和关节重建的金属主要有不锈钢( 铁 基) 、钻基合金和钛基材料。其中钛及其合金具有优良的机械性能和良好的生物 相容性，得到最为广泛的应用。 目前植入体内用不锈钢大部分是奥氏体钢，常用型号有a i s l 3 1 6 、3 1 6 l 、和 3 1 7 等，主要用于骨的固定、人工关节、齿冠及齿科矫形。钴、铬、钼合金通常 称为钒钢，商品牌号v i t a l 1 i u m ，是优质的骨修复医用金属材料。钛金属比重与 人骨相近，但纯钛的强度低，故通常使用钛的合金，主要用作人工牙根、人工下 颌骨和颅骨修复。钛镍合金在特定温度下具有“形状记忆”功能，其记忆效应基于 热弹性马氏体合金的性质，用钛镍合金制成的制品，在低于马氏体转变温度时具 有高度的柔韧性，此时可使之产生一定程度的形变，待温度升到转变温度以上时， 制品又会恢复原来的形状。通过改变合金中钛和镍的百分含量，可把转变温度调 节到人的体温附近，在临床使用时，将合金在高于人体温度下制成所需之形状， 再在低温下使之变形成为易于植入的形状，待植入后，温度回升到人的体温，制 5 北京化工大学硕十学位论文 品会恢复到按需要所事先设计的形状。美国有专门的厂家生产钛镍合金制品，如 齿科矫形弓丝及骨科用的固定件等。 植入人体的金属材料与组织间的相互作用仅发生在材料表面的几个原子层 处，通过对其表面改性可改善材料的性能。如用钛合金粉末与钴铬钼合金通过粉 末冶金方法制造多孔金属材料，用于制备人工关节，因材料呈多孔状态，骨组织 可以长入孔中，实现植入材料与机体组织的结合。 半个世纪以来，科研人员有目的的探索钛金属材料所具备的生物性和理化性 能及其植入机体后引起的生物学效应，在医学领域的应用方面积累了丰富经验。 金属材料由于其良好的力学性能和可加工性，在替代与修补人体硬组织方面占有 重要地位。其中钛及钛合金又因极佳的生物相容性和优异的耐腐蚀性能受到特别 重视，已被广泛应用于矫正外科和口腔科。 钛金属植入体必须得到良好的固定才能发挥其作用，目前的固定方式有三 种：机械固定、生物固定和机械一生物复合式固定。机械固定式目前应用较为成 熟的技术，但存在材料一骨界面结合强度低、寿命短、并发症多等一些难以克服 的问题。为了解决这些问题，科研人员提出了生物固定的概念，希望通过机械与 生物固定的联合应用得到更好的固定效果。生物固定的目的式希望植入物与骨 “长”成一体，缩短达到坚强固定的时间，并使之获得长久的稳定性。科研人员不 断探索材料表面改性的方法来加强材料一骨界面的结合强度，对材料表面形态进 行改造即是表面改性方法之一。钛金属材料植入体内后，与骨组织理想的结合状 态是骨整合，骨整合的建立是生物固定成功的关键。而在骨整合的过程中，成骨 细胞是最主要的组织形成细胞，它在植入物表面粘合，继而增殖、分化是达到骨 整合的前提。近年来，已有多方面的研究报道了不同的表面形态对成骨细胞生物 学行为的影响。 金属材料的强度和韧性较高，耐腐蚀性、耐磨性，可锻性和再现性好，浇铸 成型不降低强度。但将其植入人体后，仍存在许多问题，往往植入的金属材料并 没有象设想的那样完全发挥作用，相反还产生或多或少的副作用，给人体带来不 适。因此进一步改善金属材料的生物相容性，增加与肌体组织的结合力，提高安 全使用性能是今后所面临的主要问题。 1 4 2 医用生物陶瓷材料 生物陶瓷是生物医用材料的重要组成部分，在人体硬组织的缺损修复及重建 已丧失的生理功能方面起着重要的作用。几十年来，生物陶瓷的研究和应用取得 了很大的进展，已从短期替换和填充，发展为永久性牢固填入，从生物惰性材料 6 北京化工人学硕上学位论文 发展到生物活性材料、生物可降解材料及多相复合材料。生物陶瓷材料已广泛用 于人工牙齿( 根) 、人工骨、人工关节和人工眼等。根据生物陶瓷骨替换材料 在人体内引起的组织材料反应情况，可将他们分为生物惰性陶瓷、生物活性陶 瓷和生物降解陶瓷三类，见表1 1 。 表1 - 1 生物陶瓷替换材料的组织附着类型 t a b l e l 一1 d i f f e r e n tk i n d so f b i o e e r a m i c s 生物惰性陶瓷是指化学性能稳定并与机体组织生物相容性好的陶瓷材料。从 材料的结构来看，其化学键较强，具有比较高的机械强度和耐磨损性能，可以应 用于各种人工关节、人工骨和人工齿根。目前应用和研究的生物惰性陶瓷主要有 多晶氧化铝、单晶氧化铝、氧化锆、热解碳等材料。这类材料的特点是机械强度 良好，但是不具生物活性，与体内组织之间主要依靠形态结合，种植体与生物基 体间往往形成一定厚度的纤维组织。 生物活性陶瓷材料主要有生物活性玻璃、生物活性玻璃陶瓷、h a 等。1 9 6 9 年，美国佛罗里达大学的h e l l c hl 教授发现一定组成的玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷和 复合材料能与骨组织形成紧密的结合。某些特殊组分的生物玻璃既能同骨组织结 合又能同软组织结合。在此基础上，一种名为4 5 s 5 的生物玻璃成功地应用于人 体硬组织的修复一。生物活性玻璃主要用于骨缺损的修复和替换，但由于其机械 强度低，仅能用于承力不大的体位，如牙小骨、指骨以及药物送达和缓释载体等。 为了提高生物玻璃的机械强度、化学稳定性和改善脆性，人们发展了多种生物活 性玻璃陶瓷，主要有c e r a v i t a l 微晶玻璃、可切削微晶玻璃和a - w 玻璃陶瓷等， 7 北京化工大学硕士学位论文 并相继在临床上进行了应用。c e r a v i t a l 微晶玻璃的组分变化范围较宽，不同的组 成可以得到不同晶体组成的微晶玻璃一。这种微晶玻璃的机械力学性能不太理 想，不能直接用于承受载荷的场合。可切削微晶玻璃的结晶相主要是各种类型的 云母晶体，这种微晶玻璃获得了优良的机械加工性能。它们产生于 s i 0 2 a 1 2 0 3 一m g o n a 2 0 k 2 0 一f c a o p 2 0 5 系玻璃，是一种磷硅酸盐玻璃，将配料 熔成玻璃后，在一定的热处理制度下，可获得含有云母及磷灰石晶体的微晶玻璃 一。可切削微晶玻璃在临床上有一定的应用，在骨科和头颈外科中被用作骨置换 材料和骨填充材料，如人工听小骨、人工齿根等。微晶玻璃最早由k o k u b o 等人 制得一。这种玻璃是c a o m g o s i 0 2 p 2 0 5 系玻璃，其基质是磷硅酸盐玻璃。w 微晶玻璃具有较好的机械力学性能，其抗折强度、抗压强度、硬度和断裂韧性已 经超过了人体皮质骨，可替代自体骨组织。由于它优良的机械力学性能与生物活 性，a w 玻璃己在临床上推广使用，主要用于骨的填充、修复以及置换。 h a 是目前研究较多的一种生物活性材料。它是人体骨骼组织主要的无机成 分，含有人体组织所必需的钙和磷元素。植入体内后，在体液的作用下，钙和 磷会游离出材料表面，被机体组织所吸收，并形成新的组织。世界各国都对h a 材料进行了广泛的基础和临床应用研究。 生物陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性和优良的生物相容性，但陶瓷材料强度 低、韧性差，在生理环境中易疲劳、破坏。因此，采用不同工艺方法将生物陶瓷 涂覆在金属基体表面，能充分发挥两类材料的优点，以满足承载硬组织替代材料 的临床应用需要。制备生物陶瓷涂层的方法很多，由于生物陶瓷涂层材料有较 高的熔点，通常人们大多采用热喷涂、气相沉积和高温熔烧等高温工艺。其中等 离子喷涂技术以其工艺简单和易于产业化而成为应用较为广泛的生物陶瓷涂层 制备技术。在钛合金表面制备的等离子喷涂h a 涂层同烧结h a 块体材料相比， 克服了h a 材料的脆性，充分发挥了钛合金材料强度高、韧性好的特点，提高了 材料的承载和抗冲击能力，已在临床上得到广泛应用一。 但是等离子喷涂h a 与钛合金基体的结合强度并不高，这主要是由于h a 的 热膨胀系数( 1 3 3 1 0 咏) 与钛合金基体的热膨胀系数 ( 8 4 8 8 ) x 1 0 讯 相 差较大，导致涂层与基体的界面处存在很大的残余热应力。研究制备兼具优良生 物活性和高结合强度的生物活性涂层已经成为该领域的重要课题。中国科学院上 海硅酸盐研究所最近研制的新型涂层硅灰石和硅酸二钙等涂层，有望解决 这个问题。这两种涂层的结合强度均高达4 0 m p a ，约为h a 涂层的三倍。 近年来，随着对碳酸钙陶瓷认识的加深，珊瑚人工骨的研究和应用也更加广 泛。珊瑚是海洋生物珊瑚虫死亡后形成的沉淀物，9 9 的成分是碳酸钙，已被发 现具有良好的生物相容性、可降解性，同时其含有较高的孔隙率的三维结构与松 8 北京化工大学硕士学位论文 质骨相类似，珊瑚发生降解时释放c a 2 + 等降解产物还为新骨形成和矿化提供原 料，此外珊瑚还具有一定的力学强度，易于加工成各种形状，一系列特性充分说 明拥有骨替代材料的一些要求，使得学者们开始研究珊瑚作为骨替代物的可行性 1 。通常认为，珊瑚通过骨引导的方式实现骨组织再生与修复，其多孔的结构 有利于宿主骨组织和血管、纤维组织等长入其中，同时珊瑚在体内发生可降解吸 收，逐渐被新生骨所替代。但单纯应用珊瑚修复骨缺损引导成骨量有限，而且其 降解速度与骨缺损修复成骨速度之间缺乏协调性，多数学者研究表明，珊瑚在体 内降解过快，新生骨不能完全取代被吸收的珊瑚。为此，将珊瑚与骨诱导材料 或成骨细胞复合提高成骨量，为珊瑚人工骨的研究提供新的思路，使得珊瑚人工 骨展现出更加喜人的应用前景。但是，目前将生物陶瓷作为人工骨替代材料 的应用仅处于对骨组织的低级模拟阶段，仍然有许多问题尚待解决。 1 4 3 医用高分子材料 该类材料分为合成高分子材料和天然高分子材料。 高聚物曾被广泛用作骨修复材料，合成高分子材料主要包括聚乳酸、聚羟基 乙酸、聚羟基丁酸、聚羟基戊酸及聚乳酸与聚羟基乙酸共聚物等，并可通过选择 不同合成方式和成型工艺，调整聚合物分子量、分子量分布，控制其力学性能和 降解速度，但其存在细胞亲和性差、致炎症反应等问题。z h a o 等通过共聚反应 合成了羟基丁酸和乙二醇嵌段共聚物，显著改善了聚羟基丁酸均聚物的韧性和亲 水性【1 5 】o - l 6 1 可降解聚乳酸( p l a ) 用于1 ：3 腔外科。，聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 骨水泥 用于骨填充。，聚乙醇酸( p g a ) 作为可吸收螺钉用于骨固定。 p m m a 作为一种骨水泥得到了广泛的应用，但因p m m a 骨水泥生物相容性 差，不能与骨组织牢固结合，易造成人工关节等移植体的后期松动，而且临床中发 现p m m a 聚合期间释放大量的热量，局部温度可高达8 0 0 c 左右，能将周围的活组 织细胞杀死一，同时p m m a 在体液中会逐渐释放出有毒单体。生物降解材料制 作的接骨材料，其弹性模量较金属更接近骨组织的弹性模量，有利于骨折愈合，且 随着骨折的愈合，材料逐渐在体内降解，不需二次手术取出jo 聚乳酸( p l a ) 是一 类有应用价值的生物材料，它的降解速度取决于它的分子量、分子取向、结晶度、 物理及化学结构，但其降解的机制主要是因为酯键的水解。有研究表明其降解产 物与人体代谢的中间产物结构类似，可以被转化成丙酮酸，进入三碳循环，最终以 c 0 2 的形式排出体外。由于三碳循环发生在线粒体内，所以这种方式只能通过细 胞内消化进行，即被吞噬的p l a 颗粒可能以这种方式排出体外。而细胞外消化的 9 北京化工大学硕十学位论文 p l a 颗粒将随尿液排出体外或转化为糖原。但实际上p l a 降解机制要复杂得多。 这类高聚物的降解曾被认为是在体内经过表面侵蚀而使降解产物逐渐释放，但有 研究表明在材料的中心可能发生自我催化降解，最后导致植入材料在体内的崩解 。目前p l a 主要用于骨外科部件，例如骨针、骨板。n a o t os a i t o 。等用不同分 子量的p l a 和p e g 制成p l a p e g 共聚物作为骨形成蛋白( b m p ) 的载体，其 中p l a 6 ，5 0 0 一p e g 3 ，0 0 0 共聚物具有一定的弹性，是较好的b m p 载体。一些研 究者。用可降解高聚物p g a 和p l a 作为三维支架，从肋软骨、人关节等部位 取软骨细胞，让它呈现三维生长，结果出现了类似软骨组织的结构。此方法具有广 泛的应用前景，但由于高聚物降解速率不易控制，难与骨生长速率达到一致，以及 具有一定的疏水性，细胞粘附难。、生产周期长等缺点对于临床应用不能满足， 目前仍处于试验阶段。高聚物因易老化，随压力增强疲劳性增大。，以及生物降解 作用的影响，某些力学性质容易丧失，并且高聚物可能因为降解产物带有一定毒性， 而对人体不够安全。骨形成离不开骨生长因子的局部调节作用。现已从骨基质、 骨细胞及骨细胞的培养液中分离出多种生长因子，包括骨形成蛋i 刍( b m p ) 、p 转 化生长因子( t g f d ) 骨生长因子或胰岛素生长因子i i ( c s g f 和i g f i i ) 、胰岛 素生长因子i ( i g f i ) 等。在众多的骨生长因子中b m p 的研究最为深入。 b m p 是广泛存在于骨基质中的一种酸性蛋白质，有诱导成骨的作用。，它诱导成 骨的方式主要是软骨内成骨，也可能有膜内成骨。国内外医学界至8 0 年代以来对 b m p 做了大量的基础研究，并逐渐将其应用于临床。骨形成及骨愈合离不开血管 生长因子，新的血管生成可能与多种生长因子诱导有关4 ，包括t g f b 、血管内皮 生长因子( v e g f ) 等。生长因子对骨形成的局部调节作用是肯定的，华西医大的田 卫东、王大章等。对生长因子网络调节对骨形成作用进行研究，表明具有协同作 用的生长因子联合作用才能促进骨的形成。但直接将骨生长因子植入体内，将被 血液冲刷掉，成骨效果差，要充分发挥其作用则需要载体使其缓慢释放。 天然高分子材料主要包括胶原、明胶、纤维蛋白、海藻酸钙、甲壳素及其衍 生物等，该类材料特点是生物相容性好，利于细胞黏附、增殖和分化，缺点是缺 乏必要的机械强度。明胶具有良好的生物相容性及可降解性，p o n t c i e l l o 等人的研 究显示明胶可作为骨髓基质细胞、软骨细胞或生长因子的载体，进行细胞移植， 促进骨折愈合及骨缺损的修复。 l os c o t c h f o r d 等研究发现i 型胶原是骨中最主 3 3 1 要的结构蛋白，它占骨干重的3 0 ，占骨中有机相成分的9 0 0 0 - - - 9 5 4 。m i z u n o 等将i 型胶原用作骨髓基质细胞的培养基质，发现骨髓基质细胞可定向分化为成 骨细胞，最终形成含骨髓成分的新生骨组织。l a b i j i 等研究发现壳聚糖与成骨 细胞和软骨细胞分别混合培养，成骨细胞和软骨细胞均能保持其在机体内的球形 1 0 北京化工大学硕士学位论文 或圆形正常形态【3 5 1 。 1 5h a 与高分子复合材料的种类 在这一类复合材料中，有机生物材料，通常选用柔性材料来复合增韧，一般 都是生物惰性材料( 如聚乙烯p e 类，聚甲基丙烯酸甲酯类等) 或生物可降解吸收 材料( 如聚乳酸p l a 类，聚甘醇酸p g a 类等) 。根据复合的基体材料不同，可以大致 分为以有机生物材料( 高分子聚合物) 为基体的h a 增强复合材料，以多孔羟基磷 灰石为基体的有机生物材料增韧复合材料。对于第一类复合材料，主要是将h a 引入有机生物材料中。利用h a 的高弹性模量增加复合 材料的刚性及赋予材料生物活性，并作为强度增强因素存在。在这类材料中， 目前研究开展较多的是h a p e 及h a p l a 复合材料。 1 5 1h a p e 复合材料 在h a p e 复合材料中，由于聚乙烯是一种生物惰性材料，因此主要依靠弥 散分布的h a 颗粒与组织之间产生骨性结合。这一类材料的复合过程一般包括以 下几个步骤：两相颗粒掺混，混合物的研磨，在一定的温度、压力条件下溶混压 制成形。目前，已有主要适用于低负荷骨的替代与重建的，以h ap e x t m 为商品名 称的h a p e 复合材料面市( s m i t h ne p h e w ，ri c h a r d s ，us a ，) 。 众所周知，对高分子聚合物而言，分子在某一方向上的定向排列能显著地提 高聚合物在该方向上的刚度和强度。现在发展得较为完善的p e 分子定向技术主 要有如下三种：拉丝法，压模成丝法，液压挤出法。拉丝一，就是在略低于其熔 点的温度下熔融拉制成的具有很高的分子定向排布的，被称为高模量聚乙烯纤 维( h mp e d ) 的p e 材料。压模成丝则是利用成丝模具，热压成丝。液压挤出法就 是将略低于其熔点的坯料在液压的作用下，强迫通过小孔成丝。m w a l l g 等人把 被挤压过的h a p e 坯料经造粒后在离心磨中研磨形成的h a p e 混合粉末通过 热压过程制成h a h d p e 复合材料。他们发现，h a 在复合材料制备过程中没有发 生改性，在复合材料中的分布也是均匀的；随着h a 体积分量的增加，材料逐步 由韧性向脆性过渡；h a h d p e 界面上只存在机械作用。i a n m w a r d 一等人撰文指 出，对于h a p e 复合材料，通过对各向同性复合物( h ap e t m ) 的液压挤拉成型， 纤维态复合物的液压挤拉成型，以及用编织h m p e 纤维增强各向同性复合物等 北京化工大学硕上学位论文 三种方法均可提高复合物的延展性和材料的刚度、强度。目前已有4 0 v 0 1 h a 含 量的h a h d p e 复合材料的临床实验及应用，下颌骨修复的临床应用一证实复 合物使用标准的医疗器械即可完成，可加工性好，跟踪调查发现人体对植入物的 接受情况较好，在骨与植入物间有一良好的界面。而j h u a n g 进行的体外生理 实验认为，在复合物中，h a 颗粒为骨细胞的接近提供了有利的位置，对骨的结合 起着微观锚固体的作用。l a d i z e s k y 综合利用压模成丝及液压挤出法等技术，对 h a p e 混合粉末经液压挤出后再次粉末化然后再经压模形成h a - 一p e 复合材料， 发现其具有与人体皮质骨相近的机械性能，能够作为高负荷骨的替代材料，诸如 臀部关节的替代等。 此外，从提高两相间的作用力着眼，利用硅烷处理h a 颗粒与接枝或非接枝 的p e 复合，发现硅烷的存在提高了聚合物与h a 陶瓷颗粒的化学粘合作用和渗透 性能，从而改善了复合材料的机械性能。这表明，硅烷的交联作用对复合材料的 性能有显著的影响。 与其它骨替代材料相比，h a p e 复合材料目前发展得比较完善。h a 与p e 间 主要是物理作用力，因此h a 在p e 中的均布，更主要的是p e 纤维的分子定向分布 是材料性能的关键因素。它的扬氏模量在1 - 8 g p a 范围内，与人体皮质骨( 2 1 8 g p a ) 大致相当；其韧性断裂强度也与人体皮质骨很接近，在机械性能上均优于其 它材料。然而，由于p e 是生物惰性材料，复合材料不能生物降解，并且p e 的存在降 低了h a 跟骨结合的能力延长了骨愈合的时间。 1 5 2h a h ，a 复合材料 聚乳酸( p l a ) 是一种生物降解吸收材料，在体内可分解成l 广乳酸。它的力学 性能与其分子量密切相关，一般说来，分子量越高的，其强度和刚性就越好，在 体内被降解吸收所需的时间也越长。聚乳酸的制备主要有两种方法：由乳酸缩合 可以得到分子量较小的聚乳酸( 4 0 0 0 ) ；而利用丙交酯开环聚合则可以形成分子 量很高的聚乳酸。目前，已经能合成分子量大于1 0 0 ，0 0 0 的聚乳酸。 在早期的h a _ p l a 复合材料研究中，一般是采用低分子量的半流体状的聚 乳酸作为h a 颗粒的赋形剂，将两种材料在加热加压的条件下共混，复合体在 5 0 - - - 6 0 c 变软，具有良好的可塑性，降低至人体体温时恢复成具有一定的强度和 刚度的固体材料。正如k g - r o o t 。所指出的，在这类复合材料中，复合的方法及原 1 2 北京化工大学硕士学位论文 理、h a 颗粒的大小及形状、聚乳酸的分子量、两相物质的混合比、热处理过程 参数的控制，对复合物的性能有重要的影响。目前，高分子量的聚乳酸与h a 的 复合也有长足的发展，复合物的扬氏模量已达到5 1 2 g p 毛抗压强度约7 8 1 3 7 mp a ，抗弯强度约为4 4 - 2 8 0 mp a ，抗拉强度约1 0 - 3 0 mp a 。然而，p l a 在 体内的降解是比较快的，例如对h a - p l a 复合物的体外生理实验和动物皮下移 植实验。发现，在三周后，复合物的抗挠强度下降即达到5 0 ，并且只有在2 0 以下保存，强度才基本不下降。m k i k u c h i 一用平均分子