（材料学专业论文）羟基磷灰石壳聚糖硅橡胶三元复合材料的制备及性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 羟基磷灰石是临床上常用的骨替代材料，它具有良好的生物活性、生物相容 性、骨传导性，它植入人体后能在短时间内与人体的软硬组织形成紧密结合，是 无机非金属材料中磷灰石类最重要的材料之一。虽然h a 陶瓷具有较高的抗压强 度，但其易发生脆性断裂和疲劳破坏，而且羟基磷灰石颗粒过于松散，不能凝结成 形，使用时操作极为不便，易发生植入材料的流失，从而限制了其在负荷下骨修 复或骨替代的应用。壳聚糖是一种较理想的天然可降解的阳离子多糖，具有天然 的药物活性、抗肿瘤活性、消炎作用，它对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进 作用。将羟基磷灰石、壳聚糖复合得到的材料便很好的模拟了自体骨的成分和结 构，可获得良好的骨诱导性、匹配的降解速率，但仍存在h a p 与c s 界面结合不 太理想，粒子分散不均匀、脆性大等问题。 硅橡胶作为临床常用的组织填充材料，具有机械性能优良，理化性质稳定， 易于塑形、消毒及保存等优点，是良好的植入体。但是一方面硅橡胶不具有成骨 活性，另一方面硅橡胶具有疏水性，其制品植入人体后仍有轻微的异物感。而且 硅橡胶是一种惰性物质，经研究表明固体硅橡胶在植入人体3 周后，组织不能长入 体内，在其周围形成包膜，包膜在一定条件下可发生挛缩，且包膜内有炎性细胞浸 润。 将生物活性物质通过共混、共聚、表面处理等方法对硅橡胶进行改性，以改 善硅橡胶的生物相容性和生物活性是近年来硅橡胶生物改性的热点。目前用于改 性的生物活性物质有：磷酸胆碱( m p c ) 、几丁聚糖、羟基磷灰石、磷酸三钙等。 羟基磷灰石壳聚糖体系复合材料可获得良好的骨诱导性、匹配的降解速率， 本文通过共混法制备了壳聚糖硅橡胶复合材料，并采用六甲基二硅氮烷对壳聚 糖进行表面处理，研究了不同的处理条件对壳聚糖性能的影响；本文进一步研究 了处理后的壳聚糖对复合材料的机械性能的影响，实验发现，经干燥处理后的壳 聚糖与六甲基二硅氮烷的质量比在1 0 0 ：7 0 左右，8 0 0 c 下处理4 8 d , 时时，得到的 复合材料具有比较理想的机械性能； 本文以磷酸、氢氧化钙和壳聚糖为原料，通过共沉淀法合成羟基磷灰石壳 聚糖复合材料，用i r ，x r a y 等测试方法对复合材料进行分析表征，表明产物中 山东大学硕士学位论文 的h a 为含碳酸羟基磷灰石，类似于天然骨磷灰石的组成。 本文通过共混法制备纳米羟基磷灰石壳聚糖硅橡胶三元复合材料，并采用 六甲基二硅氮烷对羟基磷灰石壳聚糖进行表面处理，研究了不同处理方法对复 合材料物理机械性能的影响。实验发现，用共沉淀法合成的羟基磷灰石壳聚糖 经过2 5 份左右的六甲基二硅氮烷在8 0 0 c 下处理4 8 个小时后，再与硅橡胶混炼 后，三元复合材料具有较好的强度和机械性能。 研究了羟基磷灰石壳聚糖的加入量对三元复合材料各项性能的影响：分别 制备了羟基磷灰石壳聚糖含量为1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 的硅橡胶样品， 发现随着羟基磷灰石壳聚糖用量的增加，材料的机械性能如拉伸强度、撕裂强 度等会有所下降。 对制得的三元复合材料进行疲劳强度的测试，结果表明，随着羟基磷灰石 壳聚糖含量的增加，复合材料的抗屈挠性能急剧下降，当羟基磷灰石壳聚糖含 量达到3 0 时，其六级龟裂次数已不足1 0 0 0 次。 对制得的三元复合材料进行表面润湿性的测试，结果表面，随着羟基磷灰石 壳聚糖含量的增加，硅橡胶的表面亲水性能有所改善，h a c s 含量超过2 0 以 后，材料润湿角开始小于9 0 。：对三元复合材料进行吸水性能测试，发现吸水率 随着h c s 含量的增加而增加。 关键词：硅橡胶；羟基磷灰石；壳聚糖；制备；性能 n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t ei sc o m m o n l yu s e di nc l i n i ca sam a t e r i a lo fb o n es u b s t i t u t e a s t h em o s ti m p o r t a n ta p a t i t e t y p em a t e r i a la m o n g o r g a n i cn o n - m e t a l l i co n e s ，w h i c h c a nm a k et i g h tc o m b i n e sw i t hb o n et i s s u ei nas h o r tt i m ef o ri t se x c e l l e n t b i o a c t i v i t y ，b i o c o m p a t i b i l i t y ，b o o nc o n d u c t i b i l i t y a l t h o u g ht h eh y d r o x y a p a t i t eh a s h i g hi n t e n s i t yo fp r e s s u r e ，i t i s p r o n et ob r i t t l ef r a c t u r ea n df a t i g u ed a m a g e h y d r o x y a p a t i t ep a r t i c l e sa ret o ol o o s et os h a p e ，a n di ti sv e r yi n c o n v e n i e n tt oo p e r a t e m o r e o v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i co fh y d r o x y a p a t i t ep a r t i c l e sc a u s et h el o s so fi m p l a n t e d m a t e r i a l s t h e s e s h o r t c o m i n g s l i m i ti t sa p p l i c a t i o n si nb o n er e p a i ro rb o n e s u b s t i t u t eu n d e rl o a d a sak i n do fb i o d e g r a d a b l ec a t i o na m y l a s e ，c h i t o s a nh a sc a n c e r r e s i s t a n c ea n da ne f f e c to fi n f l a m m a t i o nd i m i n i s h e da san a t u r a lb i o m a t e r i a l ，w h i c h c a l l p r o m o t et h ea d s o r p t i o na n dm u l t i p l i c a t i o no fs e v e r a lh i s t i o c y t e t h ec o m p o s i t e m a t e r i a lw h i c hw a s p r e p a r e d 、析t 1 1h y d r o x y a p a t i t ea n dc h i t o s a nc a ng e te x c e l l e n tb o o n i n d u c t i v i t y a n db i o d e g r a d a b l e s p e e dm a t c h i n g t h i sc o m p o s i t e a l s oh a ss o m e s h o r t c o m i n g s ，t h ec o m b i n eo fh y d r o x y a p a t i t ea n dc h i t o s a no nt h ei n t e r f a c ei s n tv e r y w e l l ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h ep a r t i c l ei s n th o m o g e n e o u sa n dt h ec o m p o s i t ei sp r o n et o b r i t t l ef r a c t u r e s i l i c o n er u b b e ri s c o m m o n l yu s e d i nc l i n i c a lf i l l e dm a t e r i a l sf o ri t s g o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s t a b l e p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，e a s y m o l d e d s h a p e ，e a s yd i s i n f e c t i o na n dp r e s e r v a t i o na n ds oo n b u ts i l i c o n er u b b e ri s h y d r o p h o b i ca n d h a sl o w o s t e o g c n i ca c t i v i t y , a n dp a t i e n t sh a v et h ef e e l i n go ff o r e i g n b o d ya f t e ri m p l a n t a t i o n s i l i c o n er u b b e ri sa ni n e r tm a t e r i a l ，a n di ti sp o o r l yc o m b i n e d 埘t h o r g a n i z a t i o n s i l i c o n e r u b b e ri s p r o n e t of o r mai n t e g u m e n t u m ，a n dt h e c o n t r a c t u r ew i l lo c c u ru n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n ，a n dt h e r ei si n f l a m m a t o r yc e l l i n f i l t r a t i o ni nt h ei n t e g u m e n t u m i nt h i sp a p e r , t h ec o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ep r e p a r e dw i t hc h i t o s a na n d a d d i t i o n - c u r e dh i g h t e m p e r a t u r ev u l c a n i z e ds i l i c o n er u b b e r t h es u r f a c eo fc h i t o s a n w a st r e a t e d 、i t ht h eh e x a m e t h y l d i s i l a z a n ，a n dt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tm e t h o d so f h e x a m e t h y l d i s i l a z a nt r e a t m e n to nt h ep r o p e r t i e so ft h ec h i t o s a nw e r e s t u d i e d i 山东大学硕士学位论文 f u r t h e r m o r e t h ee f f e c t so ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l sp r e p a r e d 、v i t l lt h ec h i t o s a nt r e a t e d 埘t ht h eh e x a m e t h y l d i s i l a z a nw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h 巩t h ec o m p o s i t e m a t e r i a l sh a v et h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw h e nt h et r e a t m e n tt e m p e r a t u r ei sa b o u t 8 0 0 c ，t h er e a c t i o nt i m ei sa b o u t4 8h o u r sa n dt h ea m o u n to fh e x a m e t h y l d i s i l a z a ni s a b o u t7 0 w t o fc h i t o s a n i nt h i sp a p e r , h y d r o x y a p t i t e c h i t o s a nc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ep r e p a r e db y c o p r e c i p i t a t i o nm e t h o du s i n gp h o s p h o r i ca c i d ，c a l c i u mh y d r o x i d ea n dc h i t o s a n t h e c o m p o s i t ei sa n a l y z e db yi r ，x - r a ym e t h o d s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh y d r o x y a p t i t e c o n t a i n sc a r b o n i ca c i da n ds i m i l a rt ot h ep h o s p h o r i t ei nt h en a t u r eb o n e i nt h i s p a p e r , t h et h r e e - e l e m e n tc o m p o s i t e m a t e r i a l s w e r e p r e p a r e dw i t h h y d r o x y a p t i t e c h i t o s a n t r e a t e d 、i m h e x a m e t h y l d i s i l a z a n a n da d d i t i o n - c u r e d h i g h - t e m p e r a t u r ev u l c a n i z e ds i l i c o n er u b b e r t h ee f f e c t so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l sp r e p a r e dw i t ht h et r e a t e dh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a nw e r e r e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h et h r e e - e l e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l sh a v et h e b e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw h e nt h et r e a t m e n tt e m p e r a t u r ei sa b o u t8 0 。c ，t h er e a c t i o n t i m ei sa b o u t4 8h o u r sa n dt h ea m o u n to fh e x a m e t h y l d i s i l a z a ni sa b o u t2 5 w t o f h y d r o x y a p t i t e c h i t o s a n i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ta m o u n to fh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a no nt h e p r o p e r t i e so ft h et h r e e - e l e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a n ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s s u c h 嬲t e n s i l es t r e n g t h t e a rs u e n g t hw e r er e d u c e d t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ta m o u n to fh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a no nt h ef a t i g u es t r e n g t h o ft h et h r e e e l e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t h t h ei n c r e a s i n go fh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a n , t h ee n d u r a n c eb e n d i n gs t r e n g t ho ft h e c o m p o s i t em a t e r i a l sh a df a l l e nr a p i d l y w h e nt h eh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a na m o u n tw a s 3 0 w t o ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l s ，i t s 行e q u e n c yo fs i xc r a c kh a db e e nl e s st h a n10 0 0 t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ta m o u n to fh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a no nt h es u r f a c e w e t t a b i l i t yo ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h e i n c r e a s i n go fh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a n ，t h ec o m p o s i t em a t e r i a l s s u r f a c ew e t t a b i l i t yw a s i n c r e a s e d w h e nt h eh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a na m o u n tw a s2 0 w t o ft h ec o m p o s i t e i v 山东大学硕士学位论文 m a t e r i a l s ，t h ew e t t i n ga n g l ew a sl e s st h a n9 0 0 a tt h es a m et i m e ，s w e l l i n gd e g r e eo ft h e c o m p o s i t em a t e r i a l sw a si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fh y d r o x y a p t i t e c h i t o s a n k e y w o r d s ：s i l i c o n er u b b e r ；h y d r o x y a p a t i t e ；c h i t o s a n ；p r e p a r a t i o n ；p e r f o r m a n c e v 山东大学硕士学位论文 符号说明 山东大学硕士学位论文 v l i 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 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：茗翌鱼挚年一 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：崦导师签名：乏匝日 期： 山东大学硕士学位论文 1 1 前言 1 1 1 羟基磷灰石 第一章绪论 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 是动物和人体骨骼、牙齿的主要无机 矿物成分，分子式为【c a 】o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 】。在骨质中羟基磷灰石大约占6 0 ( w t ) ，它是一种长度为2 0 0 一4 0 0 n m ，直径为1 5 - 一3 0 n m 的针状结晶，其周围规则 地排列着骨胶原纤维3 9 1 。h a 无毒无害，与人体组织具有良好的相容性，能为骨 的迁移提供生物相容的界面，通过外延生长和骨组织产生牢固的化学键结合，具 有引导成骨的性能。同时由于它的化学组成和微观结构与骨组织几乎相同，可以 在生理环境下阻止种植材料被腐蚀，从而增强了材料的耐久性，因此它是一种重 要的骨修复材料，在新型骨替代材料研究领域中占有及其重要的地位，广泛应用 于齿科和骨科临床等领域。 h a 作为一种骨代用品已引起国内外学者广泛注意，是目前国内外生物材料 学领域研究重点课题之一。许多研究结果均已证实羟基磷灰石是一种无毒、无致 癌作用及具有良好生物相容性的生物材料。然而，几年来临床应用发现羟基磷灰 石颗粒过于松散，不能凝结成形，使用时操作极为不便，易发生植入材料的流失， 且抗压性能差。单一组分的h a 在生理环境下的脆性及低疲劳强度限制了其在负 荷下骨修复或骨替代的应用。 因此，在满足良好生物相容性的基础上，为了提高羟基磷灰石陶瓷材料的力 学性能，使这一材料得以在临床上推广应用，许多学者就采用与其他材料复合的 方法来提高羟基磷灰石的性能。 1 1 2 壳聚糖 山东大学硕士学位论文 壳聚糖( c h i t o s a n ，简称c s ) 又称几丁聚糖、脱乙酰几丁质，是甲壳素部分脱 乙酰基的产物。甲壳素是一种结构类似纤维素的天然高分子化合物，在自然界中 的含量仅次于纤维素。甲壳素广泛存在于蟹壳、虾壳和节肢动物的外壳以及低等 植物菌、藻类的细胞壁中，是一种重要的自然资源。甲克素经过浓碱处理即可得 到不同脱乙酰度的壳聚糖。 壳聚糖是一种天然的生物可降解多糖，其降解产物为氨基葡萄糖，对人体及 组织无毒、无害。它对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进作用，是一种较理想 的天然可降解的阳离子多糖1 4 0 】。壳聚糖具有天然的药物活性、抗肿瘤活性、消 炎作用，能加快创伤愈合，作为细胞生长因子载体和支架材料已被用于皮肤、神 经、骨和软骨以及肝脏组织工程中，还成功地用作手术缝合线、伤口敷料、药物 缓释剂、缺损填充物及组织工程支架。壳聚糖作为术后防粘连膜、透析膜、药物 控制、毒物吸附分离剂、载药微球、骨科齿科修复材料在生物医学中也被广泛的 应用。 1 1 3 硅橡胶 硅橡胶是聚硅氧烷最重要的产品之一，硫化前为高摩尔质量的线型聚硅氧 烷，硫化后成为网状结构的弹性体1 4 。s i o s i 是构成聚硅氧烷的基本键型， 由于s i o 键的键能较大，而使硅橡胶具有优异的热氧化稳定性、耐候性以及 良好的电性能。由于硅橡胶具有耐热、耐寒、无毒，有良好的透明性、透气性、 理化稳定性和生理惰性，对人体组织反应极小，体内长期植入，不被机体代谢、 吸收和降解，以及较好的物理机械性能等优点，而被广泛应用于生物医学领域。 硅橡胶按其交联反应的机理可以分为有机过氧化物引发型、缩合反应型及加 成反应型三类【4 1 1 。有机过氧化物引发型硅橡胶系以高摩尔质量的线型聚二甲 基硅氧烷为基础聚合物( 生胶) ，混入补强填料及硫化剂( 有机过氧化物) 等，在加热加压下硫化成弹性体；缩合型硅橡胶系以端羟基二甲基硅氧烷 为基础聚合物，混入多官能交联剂、催化剂、填料及添加剂后，在室温( 或 遇湿) 下，交联成弹性体；加成型硅橡胶则是以含乙烯基的聚硅氧烷为基 础聚合物，以含氢聚硅氧烷做交联剂，在铂系催化剂的作用下，发生硅氢 化反应，交联成弹性体。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 硅橡胶的生物相容性改性研究进展 生物相容性是描述生物医用材料与生物体相互作用情况的，是作为医用材料 必不可少的条件，包括：血液相容性，组织相容性，生物降解吸收性。硅橡胶由 于分子链的极性很低而表现出极强的疏水性，导致其植入人体后与机体的亲和力 差，有异物感，组织在其周围形成包膜，包膜受外界刺激易挛缩引起植入体变形 移位、材料外露等。因此对硅橡胶进行亲水改性是提高其生物相容性的重要手段。 近年来人们对硅橡胶亲水改性的研究较多，取得了丰硕的成果，归结起来主要包 括表面改性与本体改性两大方向。 1 2 1 表面改性 表面改性是既能提高材料的生物相容性和抗凝血性，又不改变聚合物本身优 良性质的有效途径，它可以通过物理技术和化学技术来实现。 1 2 1 1 等离子技术 等离子体是由电子、离子、自由基、各种能量的光子以及气体原子等活性粒 子组成的具有较高能量的混合气体，活性粒子撞击材料表面可与之发生各种化学 反应。等离子表面改性方法包括等离子体处理和等离子体聚合。等离子体处理是 将材料暴露于非聚合性气体等离子体中，利用等离子体轰击材料表面，引起高分 子材料结构的许多变化而对高分子材料进行表面改性。等离子体处理可以在材料 表面形成磷酸基、羟基等所需官能团，改变表面拓扑结构，抑制材料表面非特异 性作用。 等离子体聚合是将高分子材料暴露于聚合性气体中，在高分子材料表面沉积 一层较薄的聚合物膜。该方法可以在材料表面引入磷酸基、羟基等官能团，改善 材料与生物环境的相互作用。 w i l l i a m s 等【3 】在4 种不同的气体介质中研究了等离子处理的硅橡胶稳定性以 及等离子处理对界面血液相容性的影响。结果发现，在4 种不同的气体介质中， 经处理的硅橡胶表面都有不同程度的刻蚀，导致吸水性相应增加，并且用0 2 和 缸处理的硅橡胶表面血液相容性下降，而用n 2 和n h 3 处理的硅橡胶表面抗凝血性 提高。单纯的0 2 等离子体处理硅橡胶可很好地改善表面亲水性，但由于硅橡胶分 子链非常柔顺，结构疏松，等离子体处理后表面形成的极性基团会很快翻转进入 山东大学硕士学位论文 体相，表面亲水性在放置一段不长的时间后就会恶化。陈晓东【4 】等利用甲醇等离 子体处理硅橡胶，在与0 2 等离子体处理结果相对比之后发现，甲醇等离子体处理 对硅橡胶表面亲水性的改善效果并不优越，但甲醇等离子体处理后硅橡胶的表面 亲水性能较好地保持。k u r i a k a 等f s l 用n 乙烯基吡咯烷酮小p ) 等离子体处理硅橡 胶表面，在表面亲水性、生物相容性及表面性质的稳定性等方面都显示了很好的 结果。 1 2 1 2 表面接枝共聚法 将各种亲水性物质以化学键交联的方式接枝共聚到硅橡胶表面，可有效提高 硅橡胶的生物相容性，且较为持久。可采用辐射法( 紫外光辐射、激光辐射、x 射线及丫射线辐射) 、等离子电离处理、臭氧引发等方法使硅橡胶表面带上极性基 团，再将亲水性物质利用化学反应接枝到材料表面。 辐射接枝是利用高能辐射在聚合物表面产生活性点( 自由基或离子) ，再由该 活性点引发单体接枝聚合。辐射接枝所用的单体主要是一些亲水性的化合物，如 n 乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸d - 羟基酯( h e m a ) 、丙烯酸( a c c ) 、丙烯酰胺( a a m ) 等。将n 乙烯吡咯烷酮接枝到硅橡胶膜上，n 乙烯吡咯烷酮吸水后形成水凝胶， 对水分有强大的亲和力，大大降低组织的异物反应【6 1 。h s i u e 等【7 1 利用等离子引发 接枝技术将磷酸胆碱( m p c ) 接枝到硅橡胶表面，大大提高了硅橡胶的抗凝血性， 有效提高了材料的生物相容性。 臭氧引发接枝是一种新型表面改性技术，它是将聚合物置于臭氧气体中，在 聚合物表面形成过氧基团，这些过氧基团有引发聚合乙烯基单体的能力。该技术 易于操作，可以处理形状复杂的硅橡胶表面，而且成本较低。x u 掣8 】利用臭氧引 发接枝的方法将磷酸胆碱接枝到硅橡胶表面，通过该方法使材料表面的亲水性和 血液相容性都大大提高。l a u b e l 9 】等在反应体系中加入臭氧( 0 3 ) ，则使硅橡胶的表 面产生过氧化基团，受热裂解后形成的自由基可引发丙烯酰胺单体聚合，与过氧 化位点接枝聚合，接枝后的丙酰酰胺覆盖在硅橡胶表面，形成凸凹结构，增加了 表面积，有利于同组织结合。 1 2 1 3 表面涂层 表面涂层的方法主要有喷涂法、浸涂法、表面镀金法、等离子沉积法及仿生 合成法【2 1 。将亲水性聚合物利用表面涂层技术在硅橡胶表面形成亲水涂层，可改 4 山东大学硕士学位论文 善硅橡胶的生物相容性。姬生超等【lo j 利用浸涂法在硅橡胶表面形成几丁聚糖涂 层，他的研究发现几丁聚糖的浓度、浸涂次数、硅橡胶表面粗糙度以及是否经过 紫外照射等因素都可对涂层的附着力和表面形貌产生影响。樊东辉等【i i 】用氧低温 等离子体处理硅橡胶，在其表面引入羟基，然后利用硅烷偶联剂的硅烷反应，通 过中间物戊二醛在硅橡胶表面制备了几丁聚糖涂层，表面接触角测试表明几丁聚 糖涂层明显提高了硅橡胶的亲水性。李世普【l2 】等在用物理和化学的方法处理的 硅橡胶表面，利用仿生物合成法制得了羟基磷灰石( h a ) 微晶涂层。 1 2 2 本体改性 表面改性以改善硅橡胶表面性质为主，当临床用于植入时往往需要对材料进 行雕刻和塑形，将会破坏材料的表面结构，使其生物学活性降低或丧失。而本体 改性则采用在硅橡胶硫化成型过程中加入各种亲水活性物质，可在一定程度上解 决此问题i 。 h a r e 等【1 3 1 发现h l b ( 亲水亲油平衡值) 为8 1 1 、p h 值为6 8 的壬基酚 聚氧乙烯醚非离子表面润湿剂( c h 2 0 ) 。c l5 h 2 4 0 是一类比较理想的亲水改性 剂，可以使硫化胶与水的润湿角小于5 0 0 ：其它一些效果较好的亲水改性剂 有：聚合度为1 0 0 0 5 0 0 0 的聚乙烯基醚【14 1 、聚醚改性聚硅氧烷【15 1 、十一碳烯 酸酯【1 6 】等等。 1 3 羟基磷灰石壳聚糖复合材料的制备方法 1 3 1 溶液共混法 制备h a c s 复合材料最简单和直接的方法是将羟基磷灰石颗粒和壳聚糖溶 液直接混合，再制备成一定的形状。m u k h e r j e e 等1 2 1j 制备含有谷氨酸盐的h c s 浆糊状骨修复材料，并用来修复兔子颅骨缺损。力学性能测试表明修复组织具有 和正常组织相近的抗冲击能力。组织检验学结果表明在骨缺损区发现矿化的骨针 状体，说明该材料对骨缺损修复有效。i t o 等1 2 2 】用共混法制备的h a c s 膜用于修 复牙周膜的结缔组织。加入壳聚糖解决了在植入体内后h a 颗粒容易发生迁移的 问题。共混法制备的h c s 复合材料中羟基磷灰石颗粒分散不均匀，易团聚， 山东大学硕士学位论文 h a 和c s 之间弱界面相互作用导致h a c s 材料力学性能随着羟基磷灰石含量增 加而减小。针对这些问题也有改进的方法，如先将h a 颗粒研磨并超声分制2 3 1 ， 对h a 颗粒表面改性增加界面粘结力【2 4 】或采用网格状物填充h a c s 复合材料【2 5 】。 1 3 2 电化学沉积法 电化学沉积法是利用高分子壳聚糖的n h 2 在一定的p h 值条件下发生质 子化，外加电场使质子化的壳聚糖向阴极迁移，形成非水溶性的壳聚糖。在电化 学条件控制下，电沉积溶液c a ( n 0 3 ) 2 和n i - - h h 2 p 0 4 在电极溶液界面合适的化学环 境下与壳聚糖发生共沉积，在基底材料钛合金表面获得钙磷陶瓷壳聚糖复合沉 积层。壳聚糖大分子在电极表面的位阻和诱导作用，对钙磷化合物的结晶过程及 结晶形态有显著影响，趋向与c a p 形成杂化物和复合物的结合形式，有机无机沉 积层相互结合交联在一起，使得沉积层相内及沉积层与金属基底的结合力明显增 强。 胡仁【2 6 j 等用此法在基底材料钛合金表面获得钙磷陶瓷壳聚糖复合沉积层。 h u a n g l 2 7 2 8 】等用电化学沉积法或电泳沉积法在电极材料或导电材料表面制备 h a c s 涂层。壳聚糖的存在有效地提高羟基磷灰石涂层在基板上的黏附力。电化 学沉积法优点可以方便地通过精确控制电压大小、电流强度、通电程序和电极材 料选择等因素在多孔或不规则形状物体表面沉积羟基磷灰石以及控制其形貌；但 也存在明显的缺点，即要求基体材料导电，而壳聚糖或一般高分子材料本身不具 备导电性或导电性较差。 1 3 3 共沉淀法 共沉淀法就是将羟基磷灰石的前驱液与壳聚糖的酸溶液混合，调节体系的 p h 值，体系p h 值升高使羟基磷灰石与壳聚糖先后沉淀出来，由于混合方式为溶 液混合，复合粉体有较好的均匀性。张利等【2 9 】制备的羟基磷灰石壳聚糖复合材 料表现的最大抗压强度值大约为1 2 0 m p a ，可以达到用于承重骨组织修复的目的。 y a m a g u c h i 等1 3 0 】用t e m 观察发现，复合材料中的羟基磷灰石结晶呈长椭圆状聚集 态，与壳聚糖分子长度相对应，且该结晶生长排布( c 轴) 与壳聚糖分子链相平 行，壳聚糖分子的氨基与钙离子结合成核，促进羟基磷灰石在此处结晶生长。杨 6 山东大学硕士学位论文 洪等【3 l 】认为要进一步调整粉体的微观尺寸，需要将共沉淀出来的粉体再进行水 热处理。当壳聚糖含量较高时，细小的纳米羟基磷灰石颗粒以填充相均匀分散在 连续有机基体中，但随着壳聚糖含量下降，有机相不足以将颗粒完全包裹，仅作 为黏结剂将无机粒子均匀地黏附在一起2 9 1 。v i o r e lm a r i nr u s u l 3 2 】应用逐步共沉淀 的方法合成了尺寸可控的 c s h a 复合物，实验证明反应体系的浓度、温度、p h 值以及反应的时间对复合物的形态有影响。 1 3 4 温和湿纺法 a t s u s h i l 3 3 】用湿纺法制备核壳型的复合纤维，将壳聚糖溶液在8 0 用乙酸溶 液反应1 0 h 以降低其黏度，把h 3 p 0 4 滴入到壳聚糖溶液中i 以一定比例的乙醇饱 和c a ( o h ) 2 混合物作为凝固液，用注射器把壳聚糖溶液注射到凝固剂中或用多功 能挤压机在室温下把壳聚糖溶液注入到凝固液中，形成壳聚糖羟基磷灰石复合 纤维，并在室温老化两天，然后用蒸馏水冲洗吸附的试剂。c a 和p 原子主要分布 在复合纤维的外层生成磷酸钙晶体，而少量的p 原子仍在纤维的内部，形成的复 合纤维是一种特殊的以壳聚糖为核、磷酸钙为壳的核壳结构。 1 3 5 仿生物矿化法 生物体内的羟基磷灰石都是在钙离子和磷酸根离子浓度较低的情况下生成 的，仿生合成是近年来制备无机生物陶瓷涂层的新途径，它于低温下进行，工艺 简单，成分可控，适用于各种形貌的基体材料。因此从仿生的角度，将壳聚糖膜 浸入模拟体液( s i m u l a t e db o d yf l u i d ，s b f ) 中7 天左右，可在壳聚糖膜表面沉积出 羟基磷灰石颗粒，而且可以通过控制浸泡时间和s b f 中离子浓度来调控羟基磷灰 石的颗粒大小和形貌。何丹【3 4 】等在0 5 c s 为模板的6 双氧水溶液中，以硝酸钙 和磷酸三铵为钙源和磷源，反应7d 后可以得到宽约7 - 8n l n ，长约3 0 - - 4 0n m 的梭 形h a 纳米晶。并得出结论，c s 模板对h a 的形貌的影响是由于c s 模板对h a 的生 长不仅存在静电匹配且存在几何匹配。这种方法的缺点是矿化时间比较长，一般 需要7 天左右。 1 3 6 原位沉析法 7 山东大学硕士学位论文 原位沉析法是在模具内壁预先沉积一层壳聚糖膜，复合过程中壳聚糖膜具有 控制o h 一扩散速度的作用，使壳聚糖分子沉积和前驱体转化为羟基磷灰石的过 程缓慢、有序地进行，另外膜也为壳聚糖分子链在负电层诱导下的有序沉积提供 了模板。p h 值改变时，质子化的壳聚糖分子链在负电层诱导下有序沉积并形成 层状结构，羟基磷灰石前驱体在扩散进来的o h 一作用下原位生成磷酸钙盐，经 过陈化后转化为羟基磷灰石，从而保证h a 以纳米尺寸均匀分散在c s 中，并与c s 一起沉析制得h a c s 复合材料。用原位沉析法制备的材料具有层状结构并实现了 h a 和c s 的分子级复合。李宝强等【”】利用原位沉析法制备了一种以壳聚糖为基 体，羟基磷灰石为填料的新型复合材料，并系统研究了羟基磷灰石的含量对复合 材料的力学性能和吸水率的影响。 1 4 羟基磷灰石硅橡胶材料的研究进展 目前，制备羟基磷灰石硅橡胶材料的方法主要有涂层法与物理共混法两种。 一般而言，物理共混法制得的羟基磷灰石硅橡胶材料的机械性能优于涂层法。 1 4 1 硅橡胶表面制备羟基磷灰石涂层 各种因素造成人体器官的畸形和缺损常需用组织移植及组织代用品植入的 手段进行重建、修复。硅橡胶、钙磷陶瓷等可作为组织替代材料应用于临床，但 因材料成分单一，不能兼备良好的机械性能及生物学性质。李世普等【l2 】利用仿 生物合成法在硅橡胶表面制得了羟基磷灰石( h a ) 微晶涂层。i k e g u c h i 等i l7 j 将电晕 处理后硅橡胶置于丙烯酸单体溶液中进行反应，使硅橡胶表面带羧基( 一c o o h ) ， 生物活性极佳的羟基磷灰石进行表面处理，使其带氨基酸根极性基团( - n h 2 ) ，将 修饰过的羟基磷灰石颗粒与接枝丙烯酸的硅橡胶进行反应，在硅橡胶和羟基磷灰 石间形成交联，羟基磷灰石颗粒紧密的连接在硅橡胶表面。改性后的硅橡胶机械 性能未受明显影响，纤维细胞在材料表面生长良好，羟基磷灰石颗粒连接紧密， 保持活力。另有学者利用c a c l 2 的乙醇溶液对硅橡胶良好的浸润性在硅橡胶表面 引入c a 2 + 离子，再与k 2 p 0 4 3 h 2 0 溶液反应可在其表面形成一层预沉淀层，形成的 预沉淀层在生长溶液中能迅速诱导磷灰石晶核形成，晶核形成后硅橡胶表面就自 8 山东大学硕士学位论文 发的长了一层磷狄石涂层【1 8 】。 1 4 2 羟基磷灰石与硅橡胶共混 作为一种长期植入材料，要求表面改性后的材料能较长时间的维持改性效 果，这就要求所制备的涂层与基体间有足够的结合强度，能够确保材料生物学性 能的长期有效。而羟基磷灰石涂层具有机械强度不高，与硅橡胶结合力不强等缺 点，于是有学者采取机械共混的方法制得了羟基磷灰石硅橡胶复合材料。牟善 松掣1 9 】通过共混法制备出羟基磷灰石( h a ) 含量不同的硅橡胶( s r ) 与羟基磷灰石 复合生物材料，对其机械性能和血液相容性进行了表征。当羟基磷灰石质量分数 为3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 时，材料的撕裂强度分别为o 3 8 、0 4 4 、0 9 9 、 o 8 5 、0 5 4 k n m o l 一，溶血率分别为0 6 1 、o 5 1 、0 3 0 、0 2 6 、0 2 9 。实验 结果表明，羟基磷灰石质量分数为6 0 时，复合材料具有较好的撕裂强度和拉伸 强度。溶血实验、动态凝血实验及血小板粘附试验也表明该复合材料具有很好的 血液相溶性。张一鸣等1 2 0 】按共混法制各种类和份数不同的两种钙磷陶瓷硅橡胶 复合材料：羟基磷灰石硅橡胶、磷酸三钙硅橡胶复合材料。两种复合材料溶血 率 9 5 5 ) ，因此该吸收峰 强度非常小。1 5 8 0 c m 。1 附近的吸收峰是壳聚糖n h 2 的变形振动吸收峰，1 4 2 0c m d 附近是一c h 2 的变形振动吸收峰，1 3 2 0c m 。1 附近是壳聚糖分子的酰胺i i i 谱带。1 0 6 5 c m 。1 和1 0 2 0c m d 附近的强吸收峰分别为c 3 上的二级羟基和c 6 上的一级羟基的 c 0 伸缩振动吸收峰。 图2 5 壳聚糖的红外光谱 f i g2 5i n f r a r e ds p