（材料学专业论文）羟基磷灰石纳米纤维素复合材料制备及性能表征.pdf

中文摘要 在骨修复领域，骨仿生组织工程材料是一种很有发展潜力的骨替代材料，其 中，羟基磷灰石( h a p ) 有机高分子人造骨修复复合材料发展迅速。纳米纤维 素( n a n oc e l l u l o s e ，简称n c ) 是一种具有较好力学性能和生物相容性的天然有 机高分子。本文以n c 为基体，生物相容性良好的h a p 为增强相，采用在模拟 体液( s b f ) 中仿生沉积的方法制各h a p n c 复合材料。 本实验采用静置方法培养一定厚度的n c 基体，并研究了不同培养时间和温 度对n c 产量的影响。结果表明，在起始培养阶段，n c 的产量与培养时间成正 比关系；当培养温度为3 0 时，生物酶的活性高，从而n c 的产量较高。因此， 实验确定的n c 的培养条件是时间为7d 、温度为3 0 。另外，采用s e m 、x r d 和f t i r 对n c 的结构进行了分析。结果表明，n c 具有精细的网状结构，其纤 维直径为5n n l 左右，而纤维间的孔隙为微米级；n c 的分予结构中含有羟基和 醚键，这种特殊的分子结构使得纤维素微丝带相互交织、缠绕形成不规则的网状 结构。 s e m 观察表明，采用预钙化和s b f 仿生制备的h a p n c 复合材料沉积层致 密，沉积颗粒呈圆球状；x r d 和f t i r 的数据说明复合材料的沉积相为磷酸根部 分被碳酸根取代的h a p ，且沉积颗粒结晶度低、颗粒小，与人体骨中h a p 的结 构相似。 另外，实验采用了磷化表明改性方法将磷酸基接枝在n c 上，改善了n c 基 体诱导磷灰石形成的能力。经过磷化处理所制各的复合材料，沉积颗粒沿纤维在 表面均匀分布，纤维间的孔隙更大。 h a p n c 复合材料具有很好的生物相容性，是一种具有发展潜力的新型骨修 复材料。 关键词：纳米纤维素，羟基磷灰石，复合材料，仿生制备，磷化改性 a b s t r a c t b o n eb i o m i m e t i ct i s s u ee n g i n e e r i n gi sap r o m i s i n gf a b r i c a t i o nm e t h o df o rt h e a r t i f i c i a lb o n em a t e r i a l s r e c e n t l y , t h eh y d r o x y a p a t i t e ( h a p ) o r g a n i ep o l y m e r c o m p o s i t e s f o r t h eb o n er e h a b i l i t a t i o nh a v e b e e n d e v e l o p e dr a p i d l y n a n o c e l l u l o s e ( n c ) i sak i n do fn a t n r a lo r g a n i cp o l y m e rw i t hg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n db i o c o m p a t i b i l i t y 1 1 ”h a p n cc o m p o s i t ew i l l sf a b r i c a t e db yt h eb i o m i m e t i c m e t h o d 1 1 l en cm a t r i xw a sp r o d u c e db ys t a t i cc u l t i v a t i o na n dt h ed i f f e r e n tc u l t i v a t i o n c o n d i t i o n so nt h eo u t p u to fn cw e r ei n v e s t i g a t e d n 塘n co u t p u th a dt h ed i r e c t r e l a t i o nw i t ht h ec u l t i v a t i o nt i m e i 鼢脚t h ec u l t i v a t i o nt e m p e r a t u r er e a c h e d3 0 b i o l o g i c a le n z y m eh a dh i g ha c t i v e n e s s ，t h u st h en co u t p u tw a sh i g h e r a d d i t i o n a l l y , t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r so f n cw e r ea l s os t u d i e db ys e m a n df t i r n ch a dt h e f i n en e t w o r ks t r u c t u r ew i t haf i b e rd i a m e t e ro fa r o u n d 5n m t h eh y d r o x y la n da e t h e r b o n d se x i s t e di nt h em o l e c u l a rs t r u c t u r ew h i c hc o n t r i b u t e dt ot h ef o r m a t i o no ft h e n e t w o r k n l eh a p n cc o m p o s i t ew h i c hw a sf a b r i c a t e dt h r o u g hc a l c i u mp r e t r e a t m e n ta n d b i o m i m e t i cm u t eh a dad e n s es e d i m e n tl a y e r , a n dt h ep e l l e tp a r t i c l e sd i s t r i b u t e do n b o t ht h es u r f a c ea n dt h ei n s i d e n 碡c r y s t a l sw e r ec a r b o n a t e c o n t a i n i n ga p a t i t e sw i t h l o wc r y s t a l l i t es i z ea n dc r y s t a l l i n i t y , w h i c hh a dt h e s i m i l a rc r y s t a ls t r u c t u r et ot h e b o n e p h o s p h o r y l a t i o na t t a c h e dp h o s p h a t eg r o u p st ot h ec e l l u l o s eb ye s t e r i f i c a t i o n , a n di m p r o v e dt h em a t r i x sa b i l i t yt of o r ma p a t i t e n 他p a r t i c l e sd i s t r i b u t e de q u a l l yo n t h es u r f a c eo f t h eh a p p n cc o m p o s i t ea n dt h eh o l e sb e t w e e nt h ef i b e r sw e r el a r g e r n l ch a p n cc o m p o s i t e sp o s s e s sg o o db i o c o m p a t i b i l i t y t h e ya l en o v e lb o n e s u b s t i t u t i o nm a t e r i a l sw i t hg r e a tp o t e n t i a l s k e yw o r d s ：n a n oc e l l u l o s e ，h y d r o x y a p a t i t e ，c o m p o s i t e ，b i o m i n e r a l i z a t i o n , p h o s p h o r y l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘茎或其他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。 学位论文作者签名：限南签字隰衫年明7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：i 号、 签字日期： c 7 年2 ，月叫日 导师签名： 签字日期： 第一章前言 1 1 概述 第一章前言 骨骼是支撑人体的关键器官，因此致力于坏损骨骼的修复以提高人类的生活 质量就成为了人类医学的一项重要任务，而这一切有赖于材料科学的发展。在骨 修复材料中，自体骨一直是外科医师的首选，它不存在免疫反应并且含有活细胞 及某些有利骨生长和发育的因子。但是，自体骨的来源有限，只能用于小范围的 骨缺损的修复，并且需要额外的手术获得，这会对取骨部位造成损害及给病人增 加痛苦。异体骨甚至异种骨虽然来源广泛，可以保持结构上的完整性，并且可以 实现生物力学的整合性，但是，这两种骨植体的最大问题是存在免疫反应，并有 病毒传染的危险。人工骨组织修复材料的出现解决了以上的问题，但其使用范围 受到限制。例如，金属植入物具有较高的机械强度，这会产生应力遮挡效应；陶 瓷材料由于其脆性而不能被用作受力部分的骨替代物；高分子材料较低的机械性 能以及其降解后所产生的酸性物质都会影响骨修复性能。因此，需要寻找其它方 法来进行骨修复材料的制备。骨仿生组织工程就是一种在骨修复领域很有发展潜 力的材料制备方法 l 2 1 。 对于骨的仿生组织研究开始于成分仿生。众所周知，骨矿的主要构成是以羟 基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a p ) 为主的磷酸钙，因此h a p 就成为了最重 要的骨修复和替代材料。随着材料科学的进步，现在已经发展到对骨的结构进行 仿生组织工程研究。骨可以认为是细小胶原纤维束连接成的网状骨架上沉积了片 状或针状骨矿晶体的复合体口j ，也可被看成一种复杂的无机，有机复合材料。骨中 的有机组元( 主要是胶原) 具有弹性材料的典型特征：高韧性、低弹性模量和高 分子材料所特有的力学性能。骨中的无机组元( 如h a p 晶体) 则为骨提供了合 适的刚度。最近，h a p 有机高分子复合制备人造骨生物修复材料的方法备受关 注并且发展迅速，胶原、蚕丝蛋白以及壳聚糖等天然高分子m 】都已作为基体组 织材料用于人造骨的制备。纳米纤维素( n a n oc e l l u l o s e ，简称n c ) 作为一种天 然高分子材料也具备了很多优异的性质，如精细的网状结构、良好的生物相容性、 优异的力学性能等，可以被用作生物材料的研究1 7 1 。 1 2 磷酸钙生物陶瓷 第一章前言 1 2 1 医用陶瓷 由于人骨是由无机盐沉积在胶原网状结构中构成的，因此人类就把合成存在 于骨中的陶瓷相作为制备人造植入骨的突破口。骨中的无机相具有多型性，最主 要的相是h a p ，但含有c 0 3 、c i 、f 、n 矿、m 矿等杂质离子，c 0 3 2 - 可取代o h 或p 0 4 弘的位置而形成a 型或b 型碳酸磷灰石( c h a ) 。此外骨中还存在非晶磷酸 钙( a c p ) 、磷酸八钙( o c p ) 、二水磷酸氢钙( d c p d ) 等多种矿物相，它们被 认为是作为磷灰石的前体相而存在的f 3 】。 氧化铝这样的惰性陶瓷植入体内后会被纤维组织包裹住，而不能与骨有良好 的结合；而磷酸钙陶瓷具有很好的生物活性，植入体内不引起异物反应并能与骨 组织产生直接结合已得到公认。这种对新生骨的沉积起到生理支架作用的现象称 为。骨引导”州。 1 2 2 成分对磷酸钙性能的影响 磷酸钙的化学组成、形貌以及晶体的结晶度、大小和形状影响它作为生物材 料植入人体后的性能f 9 ，埘。 表1 1 磷酸钙的主要类型1 2 1 1 1 1 ：! ：! 坚型! 业竺! ! ! ! ! ! i ! 巴2 1 1 翌! 坐 业坐坐i! ! ! 塑! ! !璺型旦! 鲤! h y d r o x y a p a t i t e ( h a p )c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o n ) 2 1 6 7 o c t a c a l c i u mp h o s p h a t “o c p ) c a 8 ( h p 0 4 ) 2 口0 4 ) 4 5 h 2 0 1 3 3 a - 埘c a l c i u mp h o s p h a t e ( b t c p ) a - c a 3 ( p 0 4 ) 2 1 5 争t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ( t c p )b - c 幻( p 0 4 h 1 5 a m o r p h o u sc a l c i u mp h o s p h a t e ( a c p ) c a 。( p q ) y n h 2 0 1 2 2 2 c a l c i u m d e f i c i e n th y d r o x y a p a t i t e c a l o x ( h p 0 4 ) x ( p 0 4 ) 6 x ( o h ) z x 1 5 1 6 7 ( c a - l l p ) c a r b o n a t ea p a t i t e ( c a p ) c a l o ( p 0 4 ) 6 ( c 0 3 ) x o h 2 j 1 1 6 7 如表1 1 所示，不同的制备条件下磷酸钙会有不同的化学组成，它们的主要 区别是c a p 摩尔比、p 0 4 3 质子化以及分子的羟基化不同。通常，生物体内的c a p 比在o 5 2 0 之间，低于这个比例的磷酸钙盐在水中的溶解度较大，酸度亦相应 较大【1 1 1 。c a p 比低于l 的烧结磷酸钙植入人体后吸收很快而没有达到治愈的效 果；而c a p 比低于l 的含水磷酸钙只有很弱的治疗作用；c a p 比介于1 和2 之 第一章前言 问的磷酸钙植入人体后与骨有很好的结合。一般来讲，随着c a p 比的增加，磷 酸钙的降解性降低【9 j 。 陶瓷中含有的其它相对陶瓷的力学性能和生物相容性也有影响。r o y e r 等人 发现将t c p 掺入到h a p 中会提高陶瓷的弯曲强度i l3 】；另一研究报告则说明双相 磷酸钙( b i p h a s i ec a l c i u m p h o s p h a t e ，b c p ) 的“骨引导”作用高于纯h a p 单相陶 瓷【1 4 1 。 陶瓷的宏观结构，尤其是气孔尺寸、连通程度、孔隙度等对陶瓷的降解性能 有显著影响。如法国学者卢建熙认为多孔陶瓷的两大微观结构对细胞的侵入极为 重要，即孔径以及孔和孔之间的连接桥 1 5 , 16 】。有研究表明；孔径小于1 0i n n ，能 使细胞长入孔内；1 5 5 0i n n ，可形成纤维组织；5 0 1 0 0 岬，可形成类骨样组织f 而大于1 5 0l a i n 以上，在陶瓷孔内可形成矿化骨。与此同时他还对连接桥与材料 生物效应关系进行了定量研究，揭示了最佳连接桥长度等指标。研究表明：连接 桥大于2 0l a r n 就能使成骨细胞长入，并在孔内繁殖；连接桥在2 0 5 0i x r n 之间， 能使成骨细胞长入并形成类软骨组织和成骨样组织；但如果要形成矿化骨，其尺 寸必须大于5 0p a n 。 l a q u e r r i e r e 等人【1 7 】研究发现，磷酸钙颗粒的大小和形状也影响生物相容性。 针状颗粒要比圆球状颗粒更容易引起炎症；而小颗粒( 1 3 0r t r n ) 引发炎症反应 的可能性高于大颗粒( 1 7 0 3 0 0 岬1 ) 。 1 2 3h a p 的制备方法 制备生物医用h a p 的最常用方法有沉淀法、水热法、溶胶一凝胶法和模拟 仿生法。沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，然后加入适当 的沉淀剂制备超微颗粒的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制 得相应的超微颗粒f 1 8 1 。江听等人1 1 9 】尝试采用快速均匀沉淀法制备了纳米级h a p 粉末。将c a ( n 0 3 ) 2 4 1 - 1 2 0 和h 3 p 0 4 分别配制成o 5m o f l 的标准溶液后，按照 c a p = 1 6 7 的比例配制成起始溶液，用o 2 2 岬的微孔滤膜过滤后，在室温下迅 速倒人剧烈搅拌着的含适量十二烷基硫酸钠的冷氨水中，再继续轻微搅拌5m i n 左右，离心分离。然后经蒸馏水和无水乙醇的多次洗涤，最后在7 0 干燥，7 5 0 焙烧3h ，得到h a p 纳米微粒。此方法最大的特点是大大缩短了制备的周期。 水热法是在一个密闭的压力容器中，用水溶液作为反应介质，通过对反应容 器加热，使得在通常条件下难溶或不溶的物质溶解并重结晶。将c a ( n 0 3 ) 2 与 h 3 p 0 4 按c a p = i 6 7 混合均匀，放入特制密闭的高压锅内，加入蒸馏水。这是生 成针状h a p 的主要方法。刘晶冰等人1 2 0 1 通过水热法在较低温度下合成了结晶度 第一章前言 较高的棒状h a p 粉末，尺寸分布均匀，平均直径和长度分别为4 0 和6 0 0 姗。 廖其龙等人【2 1 】在2 0 0 下经过8h 的水热处理获得了晶粒完整、粒度在1 0 0m 以下的柱状或针状晶体。 溶胶一凝胶法是将金属醇盐或无机盐水解，使溶质聚合胶化，再将凝胶干燥、 焙烧，最后得到无机材料。李霞 2 2 1 采用溶胶一凝胶法以四水硝酸钙 ( c a c n 0 3 h 4 h 2 0 ) 和五氧化二磷( p 2 0 5 ) 的醇溶液为先驱体，制备出粒度均匀 的h a p 纳米粉体。刘晶冰等人团】将前驱体配制成适当的初始浓度，经7 0 0 热 处理后，可制得结晶度良好并含微量c 0 3 。的h a p 粉末，克服了原溶胶一凝胶法 胶状沉淀洗涤过滤困难以及煅烧温度较高的缺点。 近年来许多人采用在模拟体液( s b f ) 中合成h a p ( 这实际上是一种仿生合 成法) 。如用基底材料在s b f 中直接合成h a p 晶体或在材料表面生成性能良好 的涂层。采用s b f 模拟人的生理环境，即p h = 7 4 、3 7 并含有( n a + 、k + 、c a 2 + 、 p 0 4 3 。等) 无机离子的溶液，与人的体液很接近。这种方法有可能使植骨材料在 人体内直接转化为更接近自然骨的磷灰石。b a ”a k t a r 等人 2 4 1 采用在p h = 7 4 ，温 度为3 7 的生理条件下，溶解一定量的c a o q 0 3 h 和( n 地) 2 h p 0 4 以及含有尿素的 合成体液中，用化学沉淀法成功合成了单相的h a p 和碳酸h a p 陶瓷粉末。粒子 束敏化的钛表面也可用于h a p 合成【2 5 】。其方法是把c a 和p ( c a p = 1 7 ) 用离子 注入法注入西的表面，随后在5 0 0 的温度下在氧气中氧化4 0r a i n ，样品被放 入3 7 的s b f 溶液中。实验结果表明，c a o 和p 2 0 5 增强的t i 表面有利于诱导 产生有生物活性的h a p 。 1 2 4 缺钙h a p 与理想化学配比h a p 理想化学配比羟基磷灰石( s t o i c h i o m e t r i ch y d r o x y a p a t i t e ，简称s h a p ) 的化 合物分子式为c a l 0 ( p 0 4 ) e ( o h h ，c a p 比为1 6 7 ；缺钙羟基磷灰石( c a l c i u m - d e f i c i e n t h y d r o x y a p a f i t e ，简称c d h a p ) 的化合物分子式为c a l 0 x ( h p 0 4 ) 胛0 4 ) 瓴( o h ) 2 x ， c a p 比为1 5 1 6 7 ( 即o x 1 ) 。在人体生理系统内出现的磷酸钙总是以c d h a p 形式出现。 c d h a p 在液体环境下的溶解速度高于s n a p 。m a w o p o u l o s 等人脚】制备了不 同钙磷比的c d h a p 试样，并将它们放入3 7 的水中7 天。结果表明随着钙 磷比的增加c d h a p 的溶解速度降低。因此s h a p 在医学应用中常被作为长期植 入材料，如上颚骨的重建；而c d h a p 具有较好的降解速率，适用于作为临时骨 替代物植入体内，随着植入时间的增加c d h a p 材料慢慢降解，并最终被新生骨 所代替【2 刀。 第一章前言 l i n 等人【嚣】对c d h a p 和s h a p 的体外生物相容性进行了测试，结果说明前 者的生物相容性好于后者。将c d h a p 植入体内两周后，这种材料几乎全部降解 并被天然生成骨所取代；而s h a p 表面只有很少的骨生成【2 9 】。另外，c d h a p 材 料具有较高的表面积，这有利于骨细胞的附着和繁殖l 驯。 图1 1 是d u c h e y n e 等人 3 0 l 总结的活性陶瓷与组织间的界面反应过程，整个 过程共分为1 1 个步骤：1 ) 基体陶瓷的溶解；2 ) 沉积在基体陶瓷上；3 ) 离子交换 和组织结构重排；4 ) 由表面向基体内部扩散；5 ) 溶液调整细胞的活性；6 ) 无机相 或有机相在基体表面沉积；7 ) 沉积相与基体结合；8 ) 细胞向基体表面定向聚集； 9 ) 细胞的附着和繁殖；1 0 ) 细胞的分化；1 1 ) 细胞外基质的生成。 图1 1 活性陶瓷组织界面反应示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e v e n t so c c u r r i n ga tt h eb i o a c t i v et i s s u e - c e r a m i ci n t e r f a c e 1 3 陶瓷高分子复合材料 复合材料是指将两种或两种以上不同的材料，用适当的方法复合成的一种新 材料，其性能优于各单独的组分材料，并在某些方面可能具有独特的性能 3 1 , 3 2 。 陶瓷高分子复合材料属于复合材料的范畴，它由不连续的陶瓷颗粒相及连 续的高分子基体相所组成，其特点是利用高弹性模量的无机陶瓷材料增强高分子 材料的刚性，并赋予其生物活性。同时利用高分子材料的可塑性增进无机陶瓷材 料的韧性。 1 3 1 陶瓷高分子复合材料的优越性 第一章前言 陶瓷材料很早就被用于人体，由于它具有高硬度、高耐磨性及生物相容性优 良等特点，因而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。但是，陶瓷材料强度低、韧性差，在生理环境中易疲劳破坏，迄今为止 仍没有一种陶瓷材料能完全满足人体的生理功能要求【3 3 , 3 4 1 。 研究发现，几乎所有的生物体组织都是由两种或两种以上的材料所构成。例 如人体的骨骼、牙齿就可看作是由胶原蛋白、多糖基质等天然高分子构成的连续 相和弥散于基质中的h a p 晶粒复合而成的复合材料，其组成与比例的变化，不 仅能改变其力学性能，亦可改变其功能【3 3 】。换句话说，骨骼、牙齿等人体硬组织 属于陶瓷高分子复合材料，这自然使我们想到用某些陶瓷和高分子材料复合制 备人体硬组织材料。 陶瓷高分子复合材料的优越性在于：1 ) 在生物学性能上，复合材料具有生 物相容性和生物活性，克服了惰性材料植入后纤维组织包裹导致的种植体松动和 脱落；2 ) 生物活性陶瓷和高分子相互取长补短，获得良好的综合力学性能，其中 弹性模量能与骨较好地匹配，患者无异物感，减少了高模量材料造成的应力集中 和骨溶解：3 ) 若用人工合成高分子作为复合材料的基体材料，其力学和化学性能 可通过工程材料的工艺方法进行调控，而且可加工性好；4 ) 以可降解高分子为基 体的复合材料在骨修复时起临时支架作用，它随时间而降解，避免了二次手术。 因此，这类复合材料具有很好的应用前景 3 5 1 。 1 3 2 陶瓷高分子复合材料举例 近年来，对陶瓷高分子复合材料的研究日益广泛和深入，发展出很多以高 分子材料为基体的钙磷生物陶瓷及生物玻璃材料。表1 - 2 列出了陶瓷高分子复合 材料中所用到的一部分高分子基体材料。 表1 - 2 陶瓷，高分子复合材料的高分子基体 ! ! ! ：! 兰塑! 巴! ! 尘型蔓坚! 塑兰璺! 丝丝翌尘i 型巴! z 巴望1 2 巴巴! i t e s 种类名称 聚乙烯，聚醚醚酮( p e e k ) 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 合成高分子聚乳酸( p l a ) ，聚乙醇酸( p g a ) 聚乙醇酸( p g a ) 聚乳酸聚羟基乙酸( p l g a ) 天然高分子 凝胶，甲壳质，壳聚糖，胶原 藻酸盐，植物纤维素，淀粉 第一章前言 目前常见的生物医用陶瓷高分子复合材料主要有：生物活性陶瓷天然生物 高分子复合材料、生物活性陶瓷合成高分子复合材料、生物玻璃合成高分子复 合材料以及碳纤维增强复合材料等。下面简单介绍几种陶瓷高分子复合材料。 ( 1 ) h a p 聚乙烯复合材料 b o n t i e l d 曾系统地研究了h a p 增强高密度聚乙烯的力学性能和生物相容性， 其目的就是寻求皮质骨的替代材料。b o n f i e l d 以高密度聚乙烯( h d p e ) 与h a p 颗粒为原料，经高速混合、双螺旋挤压成型，制备出h a p 体积比为1 0 5 0 的 h a p hp e 复合材料。由于h d p e 和h a p 的密度分别为o 9 4 5g e r a 3 和3 1 6 0 r o r e 3 ，随着h a p 掺量的增加，复合材料的密度也增加，因此可通过控制h a p 含量来调整和改变其力学性能，复合材料的弹性模量随其密度( 或h a p 掺量) 的 增加从1g p a 可增加至9g p a ，而复合材料的断裂形变则从大于9 0 降至3 0 【3 3 1 。 可以说，h a p h d p e 复合材料由于h a p 的掺入，使生物惰性的聚乙烯具有生物 活性，而成为一种生物活性材料，用于临床骨修复。 ( 2 ) h a p 胶原复合材料 胶原是机体生命的最根本的基质，它具有以脯氨酸等中性氨基酸和含有碱性 或酸性侧链的氨基酸蛋白质的结构和特性。选用与自然骨有机质更接近的胶原与 h a p 陶瓷复合，这样植入材料就能和骨胶原末端的胺基和羟基相结合，形成具 有生物活性的化学性结合界面，从而发挥其正常的生理功能作用。研究证实，胶 原与多孔h a p 陶瓷复合，其强度比h a p 陶瓷提高2 3 倍，胶原膜有利于孔隙内 新生骨生长l j “。 ( 3 ) h a p 聚乳酸复合材料 聚乳酸具有良好的生物相容性和可降解性，但由于它比较柔软，限制了其在 内固定中的应用。另外，聚乳酸材料还缺乏骨结合能力，对x 光具有穿透性， 不便于临床上显影观察。将聚乳酸与h a p 颗粒复合有助于提高材料的初始硬度 和刚性，延缓材料的早期降解速度，便于骨折早期愈合，从而提高材料的骨结合 能力；聚乳酸与h a p 颗粒复合，随着聚乳酸的降解吸收，h a p 在体内逐渐转化 为自然骨组织，可提高材料的生物相容性；此外可提高材料对x 射线的阻拒作 用，便于临床显影观察j 。 ( 4 ) t c p 聚乳酸复合材料 h a p 和t c p 均为具有良好生物相容性的材料，在生物陶瓷与聚合物复合材 料的研究中，h 气p 聚合物复合材料的研究很多，而t c p 与聚合物的复合研究比 较少。k i k u g h i 等将共聚的左旋聚乳酸( c p l a ) 与t c p 在1 8 0 下保温1 0m i n 热混炼，制取t c p c p l a 复合材料，并与h a p c p l a 复合材料进行了对比研究。 研究表明，与h a p c p l a 复合材料相比，t c p c p l a 复合材料具有更高的力学 第一章前言 性能，随着t c p 掺量的增加，其抗弯强度和弹性模量均得到增强。 1 4 纳米纤维素 纤维素是高分子水凝胶材料的一种，是地球上最为丰富的一类生物大分子。 它可被分为植物纤维素和纳米纤维素，其中植物纤维素( p l a n tc e l l u l o s e ，缩写作 p c ) 是植物体最主要的组成部分；n c 是微生物细胞外大分子物质的代表，是初 级代谢的特定产物。n c 与p c 的最大区别在于化学纯度，前者是一种纯纤维素， 而后者通常与难以除去的半纤维素及木质素相连。 1 。4 1n c 的性质 1 4 1 1 植物纤维素 p c 是一种高聚物原料，它的主要来源是通过木材或棉花进行工业提纯得到 的。p c 可作为各种起始原料，通过化学转化来生产人造纤维、人造纤维薄膜， 以及各种各样用于工业和家庭生活的纤维素衍生物，这都与它特殊的分子结构相 关。从图1 - 2 可以看出，p c 是一种多分散的线性均聚物，由区域和对映立体选择 性的b 1 ，4 糖苷键连接的d 吡喃葡萄糖单元( 也称为葡萄糖苷单元 a g u ) 组成。 纤维素的c - 2 、c 3 和c ，6 原子上含有自由羟基基团，能够进行官能团反应，生成 大量的酯类和醚类等纤维素衍生物；利用活性基团还可以对纤维素进行接枝改 性。 非还原性末端葡萄糖苷单元 还原性末端 ( n = d p 值) 图1 - 2 纤维素的分子结构 f i g 1 - 2m o l e c u l a rs t r u c t u r eo f c e l l u l o s e 纤维素作为生物医用高分子材料具有优良的水溶性和抗凝血性，可用于血液 第一章前言 透析、血浆分离及人工肾等方面。再生纤维素水凝胶与骨的力学性能相匹配，而 且还具有生物相容性，在整形外科手术中有很多的应用；但是它的骨诱导性能较 差，对纤维素进行磷化处理或缩胺酸接枝后，其骨诱导性有所增强【3 6 , 3 7 1 。 1 4 1 2n c 的特性 n c 与p c 在化学结构上相似，都属于典型的多糖。从图1 - 3 可以看出n c 具 有致密的网状结构，这些网状结构靠大量的氢键来支撑。n c 微纤维极细( 宽度 接近1 5n m ) ，使得网状结构中存在很大的空间，残留羟基密度也很大，这赋予 了n c 水凝胶结构，因此它具有较强的结合水能力，未干燥n c 的持水量达到 1 0 0 0 3 5 1 。由于构成n c 网状结构的是微纤维，不是分子链段，所以干燥后n c 的再次吸水膨胀不能恢复到干燥前的水平。有研究发现在培养基中加入可溶性高 分子聚合物可提高n c 复合材料在未干燥情况下的水结合能力以及冷冻干燥后 的再吸水膨胀能力【3 9 1 。n c 具有良好的力学性能，杨氏模量和拉伸强度分别达到 了1 5g p a 和2 5 0m p a t 4 0 l 。此外，n c 还具有生物相容性好、易于生物降解、高结 晶度和形状保持性好1 4 1 等特点。 1 4 2 n c 的改性 图1 - 3 纳米纤维素的s e m 照片 f i g 1 - 3as e mp h o t oo f n c 材料不同的应用环境决定了此材料需要具备的性能。在对n c 的研究过程 中，已经发展了很多不同的改性方法来对n c 的化学和物理结构进行改性，从而 第一章前言 使其在力学、化学或生物学性能上有所提高。 1 4 2 1 培养阶段的改性 n c 在培养基中自发形成了精细的网状结构，而这种特殊的结构决定了纤维 素的化学和物理性能。因此，通过改变培养基可以达到对n c 性能上的控制。例 如，利用一新碳源或制备一种只含有无机成分的培养基都可以改善n c 膜的孔隙 率 4 2 j 。 由于菌种只有在氧气存在的条件下才能分泌纤维素，因此n c 膜一般是在培 养基与空气的接触面上生成的。将培养基和菌种放入封闭的透气性良好的薄膜 中，细菌就会向薄膜的边缘聚集，那里可以接触到氧气；随后细菌就会在此分泌 纤维素，其形状与透气薄膜的形状相同。k l e m m 等人利用n c 的这种特性制备 了管状的人造血管1 3 8 】。 在培养基中加入细胞分裂抑制剂可以提高n c 膜的弹性模量 4 3 】。例如，氯霉 素和萘啶酸可以有效地将细菌的长度增加两倍，使得细菌上的纤维分泌口变窄， 分泌出的纤维要比普通的n c 的纤维更细更长。微纤维宽度的降低以及氢键的增 强最终导致了n c 膜的弹性模量提高。另外，在培养过程中加入一些物质如纤维 素衍生物、硫酸、烷基化磷酸盐以及其他一些多糖物质( 淀粉、葡聚糖) 等，可 以改变纤维素的宏观形态、拉伸强度、光密度以及吸收特性 4 4 1 。 1 4 2 2 成型后的改性 n c 成型后还可以通过其它的方法改变其力学和化学性能。碱处理和氧化处 理能够提高纤维素膜的杨氏模量。y a m a n a k a 认为这两种处理清除了纤维素基体 上的蛋白质、核酸等杂质，从而提高了纤维内部和纤维间的氢键结合【4 5 】。 另一项研究则表明，在湿态下对纤维素膜进行单轴拉伸，然后保持应力在空 气中干燥，得到的纤维素膜的力学性能有所提高 4 6 1 。当湿膜被拉伸1 5 后，拉 伸应力从1 9 7m p a 增加到3 3 7m p a ，弹性模量则从1 1 1o p a 增加到3 3 5o p a 。 这项研究还说明了微纤维的方向对n c 的力学性能有很大影响。 经过氧化的纤维素具备更好的抗菌性，并在体内更易降解，降解速率可通过 氧化率来控制。这是由于纤维素的吡喃糖环被打开，形成了二醛纤维素( 见图 l - 4 ) ，然后就可以被分解成羧基基团或亚胺基团等。n c 还可以与其它物质相结 合，将某些物质与干的或者是湿的纤维素相结合，可以使其具有人们所要的某些 理化性质【4 引。这些物质是由有机物或无机物构成的颗粒或纤维，如铝、玻璃、琼 脂、角叉藻聚糖、支链淀粉、葡聚糖、聚丙烯酰胺、肝素、明胶、胶原等。这些 第一章前言 物质通过渗透、叠加或吸附与n c 膜层结合在一起，或与分解的高聚物混合在一 块，然后经过进一步的成形处理，便可得到各种不同的产物。 曼删 彳h 2 0 h l _ 一”一 r h o l t 。 1 4 一 c h 岬c h 乜o 痧h c 秘一e i n ：葚” l 。h 。 # o ho h o ”o ” 1 4 3 n c 的应用 图1 - 4 纤维素的高碘酸盐氧化【4 7 】 f i g 1 - 4p e r i o d a t eo x i d a t i o no f c e l l u l o s e 1 4 3 1n c 在生物医用材料中的应用 n c 良好的力学性能、透气性能、生物相容性等性质使其在生物医用领域中 具有十分广泛的商业化应用潜力。n c 制备出的现代创伤敷料在1 9 8 7 年就有了 成功用于治愈烧伤、烫伤及皮肤移植的例子 4 9 1 。至今为止，n c 的医用商品已经 出现了很多，如b i o f i l 忙0 j 、g e n g i f l e x 以及x c e l l t m n c 等。 m e l l o 等人在狗身上进行了不同的生物材料植入试验，一项结果证明了生物 合成n c 可以成功取代狗大脑中的硬脑膜 s l l ，另一项结果则表明经过改性的冷冻 生物合成n c 海绵体具有止血的功效【”】。 b a s y c ( b a c t e r i as y n t h e s i z e dc e l l u l o s e ) 是另一种在动物实验中获得良好 效果的产品。此种产品是一系列的管状物，具有不同的长度、壁厚以及内径，如 有的b a s y c o 管长度、壁厚和内径分别为5n l r t 3 、0 7i t l r n 、1i i l l n ，各参数都己 达到了可以进行显微外科手术的要求。b a s y c o 可直接成型，通过在可以渗透 氧气的中空载体如玻璃纸、陶瓷的内外表面上静态培养n c 产生茵，得到中空的 n c 。对b a s y c 性能测试后，发现它的内管表面粗糙度与实验鼠的血管相似； 它还具有足够的力学性能用以进行体内植入替代实验。将b a s y c 作为部分血 管的替代物植入到实验鼠的颈动脉中。四星期后，所有的植入体都保持1 0 0 的 第一章前言 通畅率，而且没有任何凝结物；人造血管都被联结的组织包裹住；内壁被内皮细 胞覆盖，内皮细胞分布方向与血流方向相同。试验中采用了抗原抗体反应的免疫 组织化学方法证明了生长在b a s y c 内壁上的细胞是内皮细胞1 3 町。 最近n c 作为软组织工程支架的研究也有了进展。虽然已经有很多种高分子 材料用于制备软骨组织支架 s 3 , 5 4 1 ，如天然高分子材料中的胶原、纤维蛋白、藻酸 盐等，人工合成高分子材料中的p g a 、p l a 等，但软组织工程支架不仅要求具 有足够的力学性能、良好的生物相容性和降解性能，还要有微孔结构用以细胞的 生长和物质的传输。以上的材料都不能够很好的符合软组织工程支架的要求。 n c 的各项性能能够较好的满足软组织工程支架的要求，有很好的应用潜力。软 骨细胞在n c 基体上的繁殖速度虽然仅为在胶原i i 上的5 0 ，但在相同的体外免 疫反应程度下，软骨细胞在n c 基体上的生长速度要高于在藻酸盐基体上的生长 速度；软骨细胞在经磷化处理和硫化处理的n c 膜上的生长速度没有明显的提 高。在这种由n c 构成的支架上，软骨细胞保持了分化型。n c 的杨氏模量与关 节软骨组织的相似，拉伸强度则高于胶原网状组织；n c 的压缩模量与藻酸盐相 似，但低于关节软骨组织的压缩模型”】。 1 4 3 2n c 的其它应用 随着n c 的结构和功能被人类逐步的认识，它的科研价值逐步被重视起来， 而且部分已经被应用到工业领域中。当纸品被干燥时，n c 的微纤维之间会形成 大量的氢键，这使得其化学吸附性及拉伸强度大大提高，因此n c 在造纸工业中 得到了大量应用，如加入了8 0 n c 纤维纸品的平均性能是普通纸品的2 5 倍 5 6 1 ； 利用n c 较高的杨氏模量和较高的声音传播速度，可将n c 用于制造声膜【5 ”。在 食品工业中，n c 已被用来制造出多种食品，如盛产于东南亚的“n a t ad ec o c o ”以 及c h i n e s ek o m b u c h a l 4 0 。n c 还可以用来对污水进行净化，以甲醇或乙醛作为合 成n c 的唯一碳源，不仅制备出的n c 纯净、含量高，同时对含有甲醇或乙醛的 污水进行了处理，减少了对环境的污染 s s , s g 。b a r b a r a 等人 6 0 l 在实验室中将钯沉 积在n c 膜上，使得膜具有较好的导电性能，可以作为燃料电池用以发电；s h a h 等人【6 ”在增强n c 膜的导电性能后。制造出了一种高清晰度的显示屏，并认为其 能够作为制造未来“电子书”的材料。 1 5 论文研究背景、意义与内容 第一章前言 1 5 1 研究背景及意义 现代科学技术的发展为生物医用材料的开发与研制提供了必备的条件，许多 人工假体、矫形物以及其它各种修复材料已成为临床诊治不可缺少的材料。生物 陶瓷与有机高分子复合材料的出现及发展是生命科学与材料科学研究进展的必 然产物，也是人工器官和人工修复材料、骨填充材料开发与应用的必然要求。 h a p 具有良好的生物活性，能够传导骨生长，植入体内后能与组织在界面 上形成强化学键性结合，因此很多学者都将它看作为未来理想的人造骨替代材 料。但是它在力学性能上有不足，单一的h a p 往往难以满足医学要求。人们至 今研制出多种h a p 复合材料，但还没有一种能很好的符合骨的力学性能和生物 相容性的要求。 n c 是一类天然高分子化合物，它的化学纯度很高，具有精致的网状结构， 优异的湿态力学性能和较好的生物相容性等特点 4 0 4 ”。目前，n c 主要应用于造 纸业和食品业；随着人们对n c 性质的深入了解，其在生物医用材料领域的应用 也有了长足的发展，如伤口敷料、人造血管、人造软骨组织等d 8 , 4 9 , 5 5 1 。 n c 适合生物陶瓷的形核和沉积，是一种优良的基质材料。它的亲水性使得 沉积物微粒能够渗透进入它的纤维网络，形成牢固结合。n c 中羟基的存在对结 晶微粒的形成，具有引发和调节的作用。因此，可以预见，这种h a p n c 复合 材料将会成为种生物相容性和力学性能都较好的生物医用材料。 1 5 2 研究内容 本文研究的是n c 的制备，及其复合材料的制备技术和性能的表征。 ( 1 ) n c 的制备及其性质 n c 膜采用静置培养的方法，通过改变培养时间和培养温度来控制n c 的产 量，从而得到合适厚度的n c 膜。随后通过对其内部结构和分子结构的分析，探 究其作为复合材料基体的可行性以及复合材料的制备方法。 ( 2 ) h a p n c 复合材