（材料学专业论文）磷酸钙复合胶凝材料的制备及性能研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 磷酸钙胶凝材料( c p c ) 具有可塑性、生物相容性好、骨传导性等优点，能 直接通过注射器注入局部并快速固化，可作为药物缓释载体辅助治疗，载生长 因子促进新骨的形成，是理想的骨替换及修复材料。随着研究的不断完善，这 类骨替代材料将会得到越来越广泛的应用，成为生物材料的一个重要分支。但 该类材料强度低、力学性能差的问题一直未能得到解决，且相关基础理论研究 匾乏，限制了其应用范围，因此，临床仍以采用生物活性较差的p m m a 骨水泥 为主。针对目前的研究现状，开展c p c 及其复合材料的相关理论研究，制各具 有可操作性、力学性能好、可诱导成骨、降解速度与成骨速度匹配的c p c 骨替 代材料并研究其临床应用具有重要意义。为此，本文对c p c 制各工艺、微观结 构、力学性能及增强和生物学性能进行了研究。 以磷酸氢钙和碳酸钙为原料，通过适宜的烧成工艺，合成了纯度高、性能 稳定的a 。磷酸三钙( q t c p ) 。单纯a - t c p 的水化硬化过程是溶解析晶的过程， 水化产物随p h 值的不同而不同，当p h 5 5 时，水化产物为羟基磷灰石( h a p ) 、 磷酸八钙( o c p ) 和磷酸二氢钙( d c p d ) ；当6 1 0 0 2 0 0 1 t m 4 0 0 5 0 0 1 x m 。 根据晶体成核生长原理，采用两步湿法合成了高纯c a 4 ( p 0 4 h o ( t r c p ) 。在 此基础上，选用合适的促凝剂，用x 衍射、红外光谱及扫描电镜等测试手段研 究a c a 3 口0 4 ) 2 c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 双相体系泥的胶凝特性，发现8 0 w t a t c p 2 0 w t t t c p 硬化体抗压强度最高达3 8 7 6 m p a ，且水化较为完全，水化产物主要是h a p ； 通过对该组成复合胶凝材料水化硬化过程及其水化转化率的研究，建立了水化 反应动力学模型，说明了水化反应过程前期由表面溶解控制、后期由扩散控制。 武汉理工大学博士学位论文 同时探讨了影响o r t c p t t c p 复合胶凝材料水化硬化过程及抗压强度的因素。结 果表明：改变柠檬酸浓度、提高胶凝材料颗粒度、降低液固比可以改善 a - t c p t t c p 复合胶凝材料的性能；低结晶度的h a p 可作为晶种加速水化反应， 而高结晶度的h a p 可作为“骨料”提高胶凝材料的强度。 研究发现经过氧化处理的碳纤维( c f ) 表面氧含量增多，挠曲强度及拨出 功增高。采用8 w t n a o h 溶液氧化处理碳纤维，长径比为3 7 5 ，添加量为0 3 w t 时，增强磷酸钙胶凝材料( c p c ) 的效果最为理想，抗压强度提高了5 5 ，最大 达6 3 4 6 m p a ；抗折强度提高近1 0 0 ，最大可达1 1 9 5 m p a ；c f 增强磷酸钙复合 胶凝材料的界面结合方式主要为两种：一是弱化学结合力，利用经氧化后碳纤 维表面带有的部分羟基、羧基、羰基及水分子，与基体材料形成有效的弱化学 力结合；二是机械结合，当胶凝材料流入和填充经处理后纤维表面的刻蚀沟槽 等物理缺陷时，形成的凹凸嵌合使这一作用得到提高，在两者的共同作用下复 合材料获得了良好的界面结合。 研究表明0 t t c p t t c p 复合胶凝材料具有良好的生物相容性、生物活性、生 物降解性和骨传导性。a t c p t t c p 植入体内后，界面形成c a p 富集层，随c a p 富集层的消失，最终与骨组织融为一体；该胶凝材料能在生物体内逐步降解， 并被生物体组织吸收取代，降解和新骨生成过程是同时进行，是既相互联系又 相互制约的复杂而缓慢的生物转化过程。 本文采用湿式反应法合成高纯度t t c p 工艺，解决了t t c p 制各困难、纯度 低的问题，在合成工艺上有较大创新；探讨了钙磷材料的水化机理，简化了磷 酸钙化合物的合成和加工工艺，为研究开发其它磷酸钙种类的胶凝材料开辟了 新途径；采用d t c p 的水化产物粘结1 3 - t c p 颗粒制备双相多孔磷酸钙材料避免 了烧结过程和高结晶度h a p 的形成，保证了磷酸钙的生物活性，为多孔材料的 制备提供了新工艺；采用生物相容相好、力学性能优良的碳纤维与c p c 复合， 提高了c p c 的机械强度，为c p c 的增强提供了一条切实可行的方法。该胶凝材 料性质稳定、操作方便、能自行固化，适用于作盖髓材料、牙体修复材料及骨 缺损充填材料和牙根管充填材料，可提高疗效，缩短疗程，简化操作，具有临 床使用价值。 关键词：磷酸钙胶凝材料；碳纤维；复合材料：生物相容性；骨传导 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t c a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t s ( c p c ) a r et h ee m e r g i n gc l a s so fp e r f e c tm a t e r i a l s f o rb o n es u b s t i t u t i o na n dr e p a r a t i o nd u et ot h e i re x c e l l e n tp r o p e r t i e ss u c ha sp l a s t i c i t y , b i o c o m p a t i b i l i t y a n do s t e o c o n d u c t i b i l i 够c a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t sa r em o r e a t t r a c t i v et h a nh y d r o x y a p a t i t e ( h a p ) c e r a m i cg r a n u l e sb e c a u s et h e yc a l lb em o l d e d a n ds h a p e dt of i l li n t r i c a t eb o n yc a v i t i e so rn a r r o wd e n t a ld e f e c ts i t e s t h en o n - t o x i c a n dn o n - c a r c i n o g e n i cp r o p e r t i e so fc p cm a k et h e m m o r ea d v i s a b l et h a np o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e ( e m m a ) b o n ec e m e n t s o t h e ri n t e r e s t i n gp r o p e r t i e so fc p ca r e n o n - e x o t h e r m i cs e t t i n ga n dn e g l i g i b l es h r i n k a g e t h e yc a nb ed i r e c t l y 厕e c t e di nt h e l o c a l ，r a p i d l ys e tt oh a r dm a s s ，g r a d u a l l yr e p l a c e db yn e wb o n ei nv i v o t h e yc a l la l s o b eu s e da sd r u gd e l i v e rs y s t e mi na d j u n c t i v et h e r a p ya n dg r o w t hf a c t o rc a r r i e rt o p r o m o t en e wb o n ef o r m a t i o n w i md e v e l o p m e n to fr e s e a r c h , c p ch a v e b e e nw i d e l y u s e di nr e s t o r a t i o na n do r t h o p e d i c s ，a n db e c a m ea ni m p o r t a n tp a r to fb i o m a t e r i a l s h o w e v e r ，t h ep r o b l e m so fl o ws t r e n g t ha n db a dm e c h a n i cp e r f o r m a n c ef o rc p ch a v e n o tb e e ns o l v e d f u r t h e r m o r e ，t h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e st h a ta r er e l a t e dt oc p ca r e v e r yd e f i c i e n t c p ca r eo n l yu s e dt on o n b e a r i n gb o n ea n dh a r dt i s s u er e p a i rd u et o t h eb r i t t l e n e s s ，s op m m as t i l lr e m a i n sa h i 【g hp r i o r i t yi nc l i n i c a la p p l i c a t i o n a sf a ra s t h ea c t u a lr e s e a r c hs t a t u so fc p ci sc o n c e r n e d ，i ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pt h e c o r r e l a t i v et h e o r yr e s e a r c hf o rc p ca n dt h e i rc o m p o s i t e s ，p r e p a r ec p cs u b s t i t u t e s w h i c hh a v em a n e u v e r a b i l i t y , g o o dm e c h a n i cp r o p e r t i e s ，o s t e o i n d u c t i v i t y , m a t c h e d r a t eb e t w e e nd e g r a d a t i o na n db o n ef o r m a t i o n , a n di n v e s t i g a t et h ec l i n i c a la p p l i c a t i o n o fc p c t h e r e f o r e ，t h e p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , m i c r o s t r u c t u r e , m e c h a n i c p e r f o r m a n c e ，s t r e n g t h e n i n g m e t h o da n db i o l o g i e a l p r o p e r t i e s f o rc p cw e r e i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r v i ao p t i m i z e d p r e p a r a t i o np r o c e d u r e ，h i 曲p u r e a n ds t a b l ea - t r i c a l e i u m p h o s p h a t e ( a - t c p ) w a ss y n t h e s i z e db yu s i n gd i c a l c i u mp h o s p h a t ea n dc a l c i u m c a r b o n a t e t h e h y d r a t i o n a n d h a r d e n i n gp r o c e s s o fa - t c pi sa d i s s o l u t i o n - c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s a n dt h eh y d r a t i o np r o d u c t sv a r yw i t ht h ep hv a l u e 武汉理工大学博士学位论文 t h ep r o d u c t sa r eh a p o c t o c a l c i u mp h o s p h a t e ( o c p ) a n dd i c a l c i u mp h o s p h a t e d i h y d r a t e ( p h 5 o ) o rh a p ( 6 1 0 0 2 0 0 邺p 4 0 5 0 0 岬 t h eh i g hp u r ec a a o 0 4 ) 2 0 ( t t c p ) p o w d e r sw e r es y n t h e s i z e db yt o w - s t e pw e t m e t h o d a c c o r d i n gt o t h em e c h a n i s mo fc r y s t a ln u c l e a t i o na n dg r o w t h , a n d a - t c p t i c pc o m p o s i t eb o n ec e m e n tw a sp r e p a r e d f u r t h e r m o r e ，a na p p r o p r i a t es e t a c c e l e r a t o rw a ss e l e c t e d t h ep r o p e r t i e so fa - c a 3 ( p 0 4 ) 2 - c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 ( a t c p t t c p ) c o m p o s i t ec e m e n t sw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gx - r a yd i f f r a c t i o n , i n f r a r e da b s o r p t i o n s p e c t r u ma n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ee t c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e s t c o m p r e s s i v es t r e n g t h o f a t c p ，r r c p c o m p o s i t e s r e a c h e s 3 8 7 6 m p a ( 8 0 w t a - t c p 2 0 w t t t c p ) ，w h i c hh a sf u l l yh y d r a t i o nr e a c t i o n ，a n dt h em a i n p r o d u c ti sh a p t h ek i n e t i c sm o d e lo fh y d r a t i o nr e a c t i o nw a si l l u s t r a t e db y i n v e s t i g a t i n g t h e h y d r a t i n g - h a r d e n i n gp r o c e s sa n dt h e t r a n s f o r m a t i o nr a t eo f h y d r a t i o n ，w h i c hi n d i c a t e st h a t t h er e a c t i o ni sc o n t r o l l e db ys u r f a c ed i s s o l u t i o nd u r i n g e a r l ys t a g ea n db yd i f f u s i o nd u r i n gl a t e rs t a g e f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c tf a c t o r so n h y d r a t i n g h a r d e n i n gp r o c e s s a n dc o m p r e s s i v e s t r e n g t h o fa t c p t t c pw e r e d i s c u s s e d t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h ep r o p e r t i e so fa - t c p t t c pc o m p o s i t ec e m e n t c a l lb ei m p r o v e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fc i t r i ca c i di sc h a n g e d ，t h es i z eo fc e m e n t g r a i n s i si n c r e a s e do rt h er a t i oo fl i q u i d s o l i dw a sd e c r e a s e d h a pw i t h p o o r c r y s t a l l i n ec a l la c c e l e r a t et h eh y d r a t i o nr e a c t i o nw h e nu s e da sc r y s t a ls e e d ，w h i l e i i 武汉理工大学博士学位论文 h a pw i mp e r f e c tc r y s t a l l i n ec a ni n c r e a s et h es t r e n g t ho f t h ec e m e n t 蹈a g g r e g a t e a st h er e s u l t ss h o w e d ，t h eo x y g e nc o n t e n to ft h ef i b e rs u r f a c e sw e r ei n c r e a s e d ， t h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n dp u l l - o u tl o a dw e r ei m p r o v e da f t e rc a r b o nf i b e r ( c f ) b e i n g o x i d i z e d t h ef l e x u r es t r e n g t hi ss t r o n g l yd e p e n d i n go nt h eo x y g e nc o n e e n t r a t i o n i n c o r p o r a t e di n t ot h ef i b e rs u r f a c e s t h er e i n f o r c i n ge f f e c ti so p t i m a lb yu s i n g8 w t n a 0 hs o l u t i o n ，a l la s p e c tr a t i oo f 3 7 5 ，a n da l la d d i t i v ew e i g h to f 0 3 w t u n d e rt h e s e c o n d i t i o n s ，t h ec o m p r e s s i v es 仃e n g t hw a si n c r e a s e d5 5 ( t h eh i g h e s ts t r e n g t hi s 6 3 4 6 m p a ) a n dt h eb e n d i n gs t r e n g t hn e a r l yi n c r e a s e d1 0 0 ( t h eh i 曲e s ts t r e n g t hi s 11 9 5 m p a ) t h e r ea t em a i n l yt w ok i n d so fi n t e r f a c ec o m b i n a t i o nw a ya f t e rc a l c i u m p h o s p h a t ec o m p o s i t ec e m e n tb e i n gr e i n f o r c e db yc f ，o n ew a ya t ew e a kc h e m i c a l b o n d s ，w h i c hf o r mb e t w e e nc p cm a t r i xa n dc f sb yu s i n gt h eh y d r o x y lg r o u p ， c a r b o x y l ，c a r b o n y la n dh y d r o n eo nt h es u r f a c eo fc f ；t h eo t h e rw a ya r em e c h a n i c a l b o n d s ，w h i c ha r ee n h a n c e dd u et of o r m i n gc o n c a v e c o n v e xm o s a i cw h e nc e m e n t i n p o u r sa n df i l l si nt h ee r o s i v eg r o o v eo nt h es u r f a c eo fc fa f t e ro x i d i z a t i o nt r e a t i n g t h u s ，af a v o r a b l ei n t e r f a c ec o m b i n a t i o ni sa v a i l a b l ev i at h ej o i n t l ya c t i o no fa b o v e w a y s t h eb i o l o g i c a le x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tq t c p f y r c pc o m p o s i t ec e m e n th a s g o o db i o c o m p a t i b i l i t y , b i o a c t i v i t y , b i o d e g r a d a b i l i t ya n do s t e o c o n d u c t i v i t y c a pr i c h l a y e rf o r m e do nt h ei n t e r f a c ea f t e ra t c p t t c pb e i n gi m p l a n t e d q - t c p t i c p c e m e n ti n c o r p o r a t e di n t ob o n et i s s u ew i t hg r a d u a ld i s a p p e a r a n c eo ft h el a y e r t h e c o m p o s i t ec a l lb eg r a d u a l l yd e g r a d e d ，a b s o r b e da n dr e p l a c e di nv i v o t h i si n d i c a t e d t h a tt h ep r o c e s s e so ft h eb i o d c g r a d a t i o no ft h em a t e r i a l sa n df o r m a t i o no fn e wb o n e t a k ep l a c ea tt h es a m et i m e t h e s ec o m p l e xp r o c e s s e sa r es l o w , i n t e r d e p e n d e n ta n d c o m p l e m e n t a r yb i o t r a n s f o r m a f i o n i ns u m m a r y , t h ew e tr e a c t i o nm e t h o df o rh i 曲p u f f t yt t c ps y n t h e s i z i n gs o l v e s t h ep r o b l e mt h a tt t c po fl o wp u r i t yi sd i f f i c u l tt op r e p a r e ，w h i c hi sa l li n n o v a t i v e t e c h n o l o g y t h ei n v e s t i g a t i o no fh y d r a t i o nm e c h a n i s ma n dt h es i m p l i f i c a t i o no f s y n t h e s i st e c h n o l o g yf o rc a l c i u mp h o s p h a t eo f f e ra na p p r o a c ht od e v e l o po t h e r c a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t s ab r a n d - n e wt e c h n i c st h a tt h eh y d r a t i o np r o d u c t so f a - t c pa f cu s e dt 0a d h e r et op - t c pg r a i n si sp r o v i d e df o rp r e p a r i n gp o r o u sc a l c i m n p h o s p h a t ed o u b l ep h a s ec e r a m i c s ，w h i c ha v o i d sf o r m a t i o no f 】1 i 曲c r y s t a l l i n i t yh a p i l l 武汉理工大学博士学位论文 i nt h es i n t e r i n gp r o c e s sa n dk e e p su pt h eb i o a c t i v i t yo fc a l c i u mp h o s p h a t e af e a s i b l e t e c h n i q u bw a si n v e n t e d t o s t r e n g t h e nc p cb yu s i n gc f , w h i c hi sak i n do f b i o m a t e r i a l sw i t he x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e c p ct h a t h a ss t a b l ep r o p e r t i e s ，c o n v e n i e n to p e r a t i o na n ds e l f - s e t t i n gc a r lb eu s e da sp u l p c a p p i n g ，d e n t a lr e s t o r a t i o n ，b o n ed e f e c tr e p a r a t i o na n dr o o tc a n a lf i l l i n gm a t e r i a l s ， w h i c hc a ne n h a n c ec u r a t i v ee f f e c t ，s i m p l i f yo p e r a t i o na n db eu s e dw i d e l yi nc l i n i c k e y w o r d s ：c a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t ，c a r b o nf i b e r , c o m p o s i t em a t e r i a l s ， b i o c o m p a t i b i l i t y , o s t e o c o n d u c t i b i l i t y i v 独创性声明 本人声明，所里交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和和致谢的地方以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名：日期： 武汉理工大学博士学位论文 第一章绪论弟一早三= 百t 匕 随着科技进步和社会发展，人口老龄化和创伤也持续增加，临床上因创伤、 肿瘤、感染、先天性缺陷、骨质疏松等原因导致骨组织坏死、缺损、骨折及病 变，是临床多发病症。目前，每年发生创伤的人数在全世界约数千万，在我国 约百余万，大部分不能自愈而需进行骨移植，治疗不当则病废率高。骨愈合是 一种特殊类型的通过再生来完成的组织修复过程，尽管现代骨科发展较快，但 仍有5 1 0 的骨折发生延迟愈合和不愈合【l 】。如何促进骨愈合和修复骨缺损， 一直是骨科基础研究与临床治疗的重要问题和关键环节。由创伤、感染、骨病 等造成的骨不连、骨缺损和骨折，常需要采用骨移植术来解决。骨移植术是将 骨修复材料或骨组织移植到病人体内骨缺损或骨折部位，促进其修复的一种常 用和有效的方法。长期以来，生物骨移植是修复骨关节损伤、达到骨愈合的重 要手段。骨修复材料对此有着重要意义，需求持续增长，具有量大面广的特点。 以骨缺损的修复材料为例，美国生物陶瓷的市场销售额1 9 9 0 年为1 5 0 0 万美元， 以后每5 年翻一番。1 9 9 6 年世界生物陶瓷市场销售额达9 4 亿美元。2 0 0 0 年美 国所有骨植入材料的销售总额达到4 0 0 亿美元。美国每年骨置换外科治疗有2 3 百万人，平均每十人中有一人用了植入体1 2 ，”。而既能连接骨折端又能促进骨生 长和骨折愈合的骨修复材料对难以愈合部位的骨折和骨不连的治疗更有着非常 重要的意义。据预测，未来生物材料在临床上的应用将保持7 - 2 0 的年增长速 度，而对我国这样一个人口众多的发展中国家，潜在的巨大的需求是不言而喻 的。我国创伤住院病人己占住院人数的第二位，年增长率达7 3 ，而骨移植占 人体组织移植频率的第二位1 4 】。骨修复材料的研究是全球关注的热点课题，这一 研究领域必将吸引越来越多的人才和资金的投入。国家“9 7 3 ”、“8 6 3 ”、国家自然 科学基金、国家部委、军队和各地方基金和发展规划中也都将生物材料列为优 先和重点项目。随着人们生活水平的不断提高和保健意识的不断增强，有关骨 替代材料和骨组织工程的临床应用前景极为广阔，该领域研究所具有的深远的 社会影响和巨大的经济效益是显而易见的。因此，骨缺损替代物的开发研究具 有重大的意义。本章就骨替代材料的研究和进展以及亟待解决的问题作了简要 的回顾和讨论。 武汉理工大学博士学位论文 1 1骨的组成与结构 骨骼是人体的重要力学支柱，承受着各种载荷的作用。人体骨骼分为躯干 骨、四肢骨和颅骨三大部分，每部分都由许多不同形状的骨相互联结而成， 组成了人体整个骨骼系统。为了保证人体的正常生活、运动和劳动，每一块骨 都必须有足够的承载能力。骨组织是一种特殊类型的结缔组织，由大量钙化的 细胞间质及数种细胞组成。钙化的细胞间质称为骨基质，其中有大量的钙盐沉 积，使之成为体内最硬的组织。体内9 9 o 的钙、8 5 的磷、6 5 的钠和镁以骨 盐的形式贮存于骨内，因而骨成为体内最大的“钙库”，与钙、磷代谢有着密切关 系，对调节血液和体液中钙、磷浓度的平衡起非常重要的作用【5 ，“。 从材料学角度看，骨可视作一种由无机矿物和生物大分子规则排列所组成 的优化复合材料，其力学性能达到了理想化，这不仅决定于成份，而且也决定 于结构。骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约 7 5 2 5 ，体积比约为6 5 3 5 。如果两种成份发生变化，则骨的坚硬度及韧性也会发 生改变。幼儿骨有机质相对多些，故韧性较好，可折而不断：而老年入骨无机 质相对多，骨较脆，所以容易折断。有机质主要是i 型胶原纤维( 占有机成份的 9 0 上) 及1 0 左右的无定形基质。骨胶原纤维平行排列成柬、借助粘蛋白粘合 在一起，形成网状结构，使骨具有很大的弹性和韧性。骨胶原纤维具有良好的 塑性，拉长时的延伸率可达2 0 以上。无定形基质为凝胶，包括一些非胶原蛋 白、糖蛋白、蛋白多糖、多肽、碳水化合物及脂类等。其中含有两种钙结合蛋 白：骨钙蛋白和骨磷蛋白。前者有两个与钙亲合力强的部位，后者则有许多钙 结合部位，但只有一部分骨磷蛋白是可溶性的，其余均与胶原纤维相结合。钙 结合蛋白与钙化及钙的运输有关。无机成份主要为钙的磷酸盐( 8 5 ) ，包括羟 基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，h a p ) 和无定型的磷酸钙。骨组织中的h a p 是一种 非化学计量的，含有c 0 3 、c 1 。、f 、n a + 、k | + 、m 矿+ 等杂质离子和s r 、z n 等微 量元素。其中c 0 3 2 - 可取代o h 或p 0 4 3 的位置而成为a 型或b 型碳酸磷灰石，一 般在骨中两相同时存在。另外骨中还发现了非晶磷酸钙( a c p ) 、磷酸八钙( o c p ) 、 透磷酸钙( d c p d ) 、磷酸氢钙( d c p ) 。除磷酸钙，还有少量的其它盐，如六方 碳酸钙和碳酸镁钙( 1 0 ) 、柠檬酸钙( 2 ) 、磷酸氢二钠( 2 ) 等【7 】o 研究表 明，构成胶原纤维的原胶原分子是由三股螺旋结构的多肤链相互缠绕形成的， 具有三重螺旋结构，这种原胶原分子以相互错开四分之一的阵列而排列形成胶 武汉理工大学博士学位论文 原纤维，并形成了孔区与重叠区相互交替的周期性结构，周期大约为6 7 n m 。胶 原纤维提供了矿物沉积的模板，矿物在孔区择优成核。目前较为普遍的观点认 为，某些非胶原性蛋白结合在胶原纤维的孔区，提供矿物成核的位点并规范矿 物的取向，还可起到桥接矿物与胶原的作用。骨矿晶体呈片状，厚度为2 5 n m ， 宽度约为2 0 n m ，长度约为4 0 6 0 r i m ，由于晶体可由孔区生长至重叠区，因此其 长度可达到1 7 0 h m 。骨基质中的磷灰石晶体具有择优取向，其晶体学c 轴相互平 行同时平行于胶原纤维的轴向而构成骨的基本阶层结构( 图1 1 ) 。这种类似纤 维复合结构形式的骨基质十分坚硬，以适应其支持功能i s o l 。 戳肛 m 托删n ，c n l ，tn a n o s t r u e t u r e m i 圳甜r q c t u 哺$ u b - m 咖c t u r e $ u b - n a n o s t r t 忙t u r e 图1 - 1 骨的分级结构及矿物一胶原关系图 f i g 1 - 1 h i e r a r c h i c a ll e v e lo f b o n ea n dm i n e r a l c o l l a g e ns t r u c t u r a lr e l a t i o n 骨组织在骨内的形式有密质骨( c o m p a c t b o n e ) 和松质骨( s p o n g y b o n e ) 两种。 骨密质位于骨干和骨骺的外侧，其骨板排列十分致密而规则。骨松质主要位于 骨骺内和骨干的内侧面，是由大量针状或片状的骨小粱连接而成的多孔网架， 形似海绵状。骨小梁也是板层骨，由数层平行排列的骨板和骨细胞构成。骨小 梁按承受力的作用方向有规律地排列( 图1 2 ) 。骨在人的一生中一直进行改建， 骨组织中的钙是动态变化的。在多种骨细胞作用下，旧骨不断被吸收破坏，新 骨不断形成和重建。正常情况下，骨钙中约有9 9 是相对稳定的，以不溶性的 骨矿盐形式存在，不能自由参与钙的代谢，主要通过骨单位的适时更新、骨的 塑造与改建进行钙交流，称为稳定钙。另有l 的骨钙是不稳定的，它以可溶性 武汉理工大学博士学位论文 状态存在于细胞内，可自由地与细胞外液交换，称为不稳定钙。稳定钙和不稳 定钙通过可溶性钙不断进行钙的交换，骨陷窝、骨小管、哈佛氏管的腔面以及 骨的内、外表面都是进行钙离子交换的交换面。上述腔和管壁上的骨磷灰石晶 体都是一端埋在骨基质，一端突出于腔面，暴露于组织液的，也参与供给交换 面。由此，旧骨中不稳定钙不断进入血液和细胞外液，肠道吸收的钙又不断通 过血液循环沉积在骨中，钙离子对维持和调节机体内许多生化过程及血钙的正 常浓度是必需的【l l j 。 图1 2 骨结构示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f b o n es t r u c t u r e 1 2 骨的缺损与移植修复 1 2 1 骨的缺损 理论上，骨缺损是指由于某种原因骨折端丧失了一些骨质而形成的间隙1 1 2 1 ， 在临床上十分常见，可由多种因素引起，如创伤、骨肿瘤瘤段切除之后、骨组 织炎症及先天性缺陷等。长时间过度牵引、不恰当的固定及肢体延长术引起的 骨折端分离等骨折的分离移位也可以认为是一种骨缺损。由于骨缺损形成的骨 间隙阻碍了骨细胞的爬行，因而不能发生正常的愈合过程，一般只能在骨缺损 区域形成纤维组织充填，造成骨不连接，使骨愈合效果不好。除了某些血运较 好部位且小的骨缺损( 如粗隆间骨折) 可以靠骨折端周围的骨膜及骨髓等组织 武汉理工大学博士学位论文 的成骨作用愈合外，大块骨缺损的愈合是十分困难的。这主要因为：( 1 ) 骨折 端分离使骨缺损间隙内缺乏骨诱导物质，如骨形态发生蛋白( b o n em o r p h o g e n e t i e p r o t e i n , b m p s ) 等；( 2 ) 周围组织塌陷，填入骨缺损间隙，使成骨细胞难于爬过 间隙与对侧成骨细胞会师在骨折两端及间隙内共同成骨，也阻碍了骨折端两侧 的骨痴桥接，并使骨折端形成骨性膨大。因此作为骨不连的一个特例，临床上 对于骨缺损引起的骨不连的治疗比其它类型的骨不连更为困难，有时大块骨缺 损甚至可以导致病人肢体残废。另外，在骨缺损和骨折治疗中，有一些手术要 求通过注射器和针头经皮穿刺注射的方式来完成对骨缺损的修复和骨折固定。 如骨质疏松症和骨质疏松性骨折的预防和治疗已成为医学上急需解决的难题。 骨质疏松的病人用螺钉作为内固定时，由于骨床稀疏，骨对螺钉的把持力不够， 很容易出现螺钉滑丝、松动、脱出，导致固定失败。临床上常采用骨修复或骨 移植手术治疗骨缺损疾病。骨缺损是一类最常见的疾病，我国每年涉及骨缺损 疾病的患者多达数百万人【”】，对修复骨缺损最有效的方法骨移植有着巨大 的需求。就应用数量和频率而言，骨移植术己成为仅次于输血的人体组织移植。 骨移植的基本研究内容是：( 1 ) 选择理想的骨移植材料；( 2 ) 评价骨移植材料 的骨修复效果；( 3 ) 观察骨移植材料与宿区对骨愈合的作用；( 4 ) 研究骨移植材料 与宿区的关系；( 5 ) 研究骨移植材料促进骨愈合的机理：( 6 ) 探讨新生骨形成的过 程和机理。目前，己得到公认的是，标准的骨移植应该能修复骨缺损区，并最 终达到结构和机械性能上同宿区的骨组织一致。骨移植材料应有足够的强度、 有潜在的活力，在组织中无不良反应( 无毒，无免疫原性，不致癌，不致畸) ，有 一定空间占位作用( 支架作用) 。此外，应该无菌、不携带任 可病毒( 如乙肝和爱 滋病病毒) 、可贮备，操作技术简单，可以控制生长、美观、可塑形。 1 2 2 骨的康复 骨具有自修复功能，骨折后骨能进行自愈合。骨折愈合的基础是骨膜中骨 形成细胞的增殖与分化。骨折愈合可分为如下几个依次交替演进的过程 1 4 a 5 ： ( 1 ) 血肿形成：骨折后，邻近软组织包括骨膜及血管等也被撕裂，血管破 裂出血，在骨折断端之间及其周围形成血肿，在乱8 天内形成血凝块，并有纤 维蛋白析出，使断裂处初步衔接； ( 2 ) 发炎与清创：血肿中含有大量的红细胞、白细胞、多形核嗜中性细胞、 武汉理工大学博士学位论文 巨噬细胞等。巨噬细胞吞噬坏死组织、细胞碎片、残余细胞器等，并在胞体内 溶解、消化和吸收； ( 3 ) 纤维骨痂形成：周围的毛细血管不断增生，成纤维细胞、骨形成细胞 等侵入血肿。成纤维细胞分泌大量胶原纤维，形成纤维骨痂，可将骨折的断端 接合及包围起来； ( 4 ) 初期骨质骨痂形成；骨膜增生、加厚，骨形成细胞分化为软骨细胞和