（生物医学工程专业论文）胶原分子修饰羟基磷灰石及钛表面研究.pdf

腔原分子修饰羟基磷灰石及钛表面研究 牛血清白蛋白吸附的结果表明，接枝前后材料表面对蛋白的吸附能力发 生了改变，这与改性后表面的h e m a 和胶原层有关。钛在改性前后均比羟基磷 灰石在同样条件下对蛋白吸附的能力要弱，说明材料本身对蛋白吸附能力的 强弱影响很显著。s b f 浸泡的结果表明，羟基磷灰石表面形貌不如钛在改性前 后改变大。羟基磷灰石在s b f 浸泡3 天就能表现出彼此之间的表面差异，7 天后胶原接枝样的表面有明显的颗粒状物质；而钛在s b f 中浸泡3 天的结果 表明，表面上只有沉积层，没有规整的矿物层。在1 5 倍的s b f 中浸泡1 4 天 发现，钛在改性前后的浸泡结果差异很大，后两者都形成了均匀的有一定形 状的晶体，前者改变不大，表明材料在改性后生物活性得到了一定的改善。 辐射接枝是一种富有魅力的改性方法，在实验的条件范围内，射线对无 机材料本身的机械物理性能影响很小，且能活化材料表蘸产生活性中心与有 机分子反应。本研究用辐射接枝技术成功的修饰了羟基磷获石和钛的表面， 有效的改善了无机一有机界面，为生物材料的表面改性提供了一种新的思路。 关键词胶原蛋白羟基磷驮石余属钛表面修饰辐射技术 川川大学硕f 。学位论文 s t u d yo ni m m o b i l i z a t i o nc o l l a g e n0 1 1h y d r o x y a p a t i t ea n d t i t a n i u ms u r f a c e a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t ea n dt i t a n i u ma r es u c c e s s f u lb i o c o m p a t i b l em a t e r i a l st h a ta r e e x t e n s i v e l yu s e dt o d a yf o rm a n u f a c t u r i n gb o n er e p l a e e m e m s i n c em e t a l l i c b i o m a t e r i a l su s e df o ro r t h o p e d i ca n dd e n t a li m p l a n t sp o s s e s sap a u c i t yo fr e a c t i v e f u n c t i o n a lg r o u p s , b i o m o l e c u l a rm o d i f i c a t i o no ft h e s em a t e r i a l si s c h a l l e n g i n g h y d r o x y a p a t i t e ，t h es a m ea s , t h em a i ni n o r g a n i cc o m p o n e n to fb o n e , h a sp r o b l e m s a su s e df o rb o n ef i l l e ra n db o n et i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l dd o et ob r i t t l e n e s sa n d l o wd i s s o l u t i o nr a t e i no r d e rt oi m p r o v et h e i rb i o c o m p a t i b i l i t y , w ei m m o b i l i z e d c o l l a g e no ns u r f a c e so fb o t hm a t e r i a l sb yi r r a d i a t i o ng r a r i n g a c t i v ec e n t e r so n s u r f a c e so fh y d r o x y a p a t i t ea n dt i t a n i u mt h a ti n d u c e db yr a d i a t i o nr e a c t e dw i t l l o r g a n i cm o n o m e r s2 - h y d r o x y e t h y la c r y l a t e ( h e m a ) t h e nc o l l a g e nw a sc o u p l e d w i t hh e m am o n o m e r s s oc o l l a g e nw a sc o v a l e n t l yl i n k e dt ot h es u r f a c e so f h y d r o a p a t i t ea n dt i t a n i u mb yas u r f a c em o d i f i c a t i o np r o c e s st h a tr a d i a t i o ng r a f t i n g w i t hh e m a t h ep r o p e r t i e so fs u r f a c e - m o d i f i e dm a t e r i a l sw e r ei n v e s t i g a t e db ya h u m b e ro f s u r f a c es e n s i t i v et e c h n i q u e s ：i r , x p s ，s e ma n do t h e rm e t h o d s t h ei s o - p h a s eg r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o ni sak i n e t i cc o n t r o l l i n gp r o c e s s t h e r a d i a t i o nd o s e 。r a d i a t i o nr a t i oa n do r g a n i cm o n o m e rc o n c e n t r a t i o n 黜m a i ne f f e c t f a c t o r st ot h eg r a f t i n gy i e l d sw h e nt h em a t e r i a l sp r o p e r t i e sf i xo n c o m p a r e dw i t h g r a f ty i e l d so fc o n g e n e rm a t e r i a l so fd i f f e r e n ts p e c i f i cs u r f a c ea r e a si nt h es a m e r a d i a t i o nc o n d i t i o n s ，t h eg r a f ty i e l d sa r eo b v i o u s l ya f f e c t e db yt h es p e c i f i cs u r f a c e a r e aa n dt h ea b s o r b e n tc a p a c i t yo fm a t e r i a l ss u r f a c ea n dt h ed i f f u s i v er a t eo f h e m am o n o m e ri nt h ei s o p h a s eg r a f tp o l y m e r i z a t i o n t h eb i g g e rt h es p e c i f i c s u r f a c ea r e a sa r e ，t h eb i g g e rt h ed i f f e r e n c e so fc h e m i c a l b o n d sa n de l e c t r o n i c a l s t a t e so ns u r f a c ea r ew i t hm a t e r i a li n n e r t h es p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dt h e 胶原分子修饰羟肇磷灰石及钛表面研究 a b s o r b e n tc a p a c i t yo fm a t e r i a l ss u r f a c ea n dt h ed i f f u s i v er a t eo fo r g a n i cm o n o m e r i n f l u e n c et h er e a c t i v eg r a f ty i e l d s t h es u r f a c es t r u c t u r e so ft h em a t e r i a l sh a v e e s p e c i a l l ya ni n f l u e n c et os t e r e o c h e m i s t r yo f 时a f ip o l y m e r i cc h a i n a n dt h e s t r u c t u r e r e s p o n d st ot h ee n v i r o n m e n tb ye x p a n d i n gt om a k en e wp o l y m e r i c m e t h o d b e s i d e s ，t h eg r a f t i n gr e a c t i o ni sa l s oap r e p a r i n gb i o f u n c t l o n a lm a t e r i a l s m e t h o dw i t i lc e l lr e c o g n i z a b i l i t y t h eg r a f t i n gy i e l do f h y d r o a p a t i t ew a sb e t t e rt h a n t i t a n i u m so nt h es a r n es i t u a t i o n t h eq u a n t i t yo fc o l l a g e nc o u p l i n gd e p e n d e do n t h eh e m ag r a f t i n gy i e l d w eg o tt h eb e s tc o n d i t i o no fh e m ar a d i a t i o ng r a f t i n g t h a tc a r ld i r e c tt h ef o l l o w i n gw o r k t h er e s u l t o fb s a a d s o r p t i o no i lm m e r i a l si n d i c a t e dt h ea d s o r b e n tc a p a b i l i t y o fm a t e r i a l sw a sc h a n g e da f t e rs u r f a c em o d i f i c a t i o n t h a tm a y b ed u et ot h e c o l l a g e nf i l mo nt h em a t e r i a l s ac o m p a r a t i v es t u d yo ft h ei nv i t r of o r m a t i o no n t h em a t e r i a l sw a sf i n i s h e di nas i m u l a t e db o d yf l u i d ( s b d a f i e rs u r f a c e m o d i f i c a t i o n ，t h e r ew c i em i n e r a ll a y e ro nt h es u r f a c eo fm a t e r i a l sd i p p e di ns b f f o r3 d a y s a n dt h ec r y s t a l l o i d l i k em i n e r a lw a sf o u n da f t e ral o n g e rt i m e a l lo f a b o v ei n d i c a t e dt h a tt h eb i o a c i t i v eo fm a t e r i a l sw e r ei m p r o v e dt h r o u g hs u r f a c e m o d i f i c a t i o n i np r a c t i c e ，t h ei m m o b i l i z e db i o m e l e c u l e s ，s u c ha sc o l l a g e n ，a n dt h eo v e r a l l i n t e r f a c i a ls t r u c t u r ei n c r e a s et h ei n f o r m a t i o nc o n t a c to ft h es u r f a c ea n dt h ed e g r e e s o ff r e e d o ma s c o m p a r e dt o t h ei n o r g a n i cs u r f a c e g r a 矗p o l y m e r i z a t i o nb y i r r a d i a t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tm o d i f i c a t i o nm e t h o d s , i nt h ep r e s e n c eo f c h e m i c a lb o n db e t w e e ni n o r g a n i cp a r t i c l e sa n ds u r f a c em o d i f i e da g e n t s i nt h i s p a p e r , c o l l a g e nw a si m m o b i l i z e do nt h eh y d r o x y a p a t i t ea n dt i t a n i u ms u r f a c eb y i r r a d i a t i o n i ti sp o s s i b l et oi m p r o v et h ei n t e r f a c eo fi n o r g a n i c - o r g a n i cc o m p o s i t e m a t e r i a l sa n dt om a k eb i o a c t i v em a t e r i a l sb yu s i n gr a d i a t i o ni n d u c e d g r a f t i n g c o p o l y m e r i z a t i o n k e y w o r d s c o l l a g e n ；h y d r o x y a p a t i t e ；t i t a n i u m ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；r a d i a t i o n v 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 】羟基磷灰石的改性概况 自然骨从材料学的角度讲是由无机纳米磷灰石和有机胶原构成的复合材 料。在骨单位中，胶原纤维被认为是基体，增强相是钙盐，同时胶原在钙盐 中起增韧作用。成熟骨主要是曲尺寸小于l o o n m 的羟基磷灰石( h a ) 晶体 紧密地嵌入胶原基体中构成的。成骨的生物过程中，有机物引导了无机钙盐 的定向沉积，这种低热工艺与人造陶瓷材料的焙烧工艺完全不同，并将无机 物的结构有序性保持到分子程度，成为分子层次的精细结构复合材料，这为 复合材料的研究提供深刻的启示。 羟基磷灰石具有良好的生物相容性和骨传导性，能与自然骨形成牢固的 键合，以块状、颗粒等形式在临床上被用作硬组织修复或替换材料。然而 高温烧结的羟基磷灰石生物陶瓷，其结构、组成和结晶度等与自然骨磷灰石 晶体相差较大，生物降解性差，骨组织的爬行替代缓慢、骨修复的时间较长。 另外纳米羟基磷灰石可作为药物载体，在一定的条件下它还有抑制癌细胞的 作用忙l 。但是纳米羟基磷灰石很容易团聚，而且在相当宽的p h 范围内易带电 荷，这些因素极大的限制了其在医学上的应用。因此羟基磷灰石的表面改性 一直是生物材料领域的热点。众多的改性方法大致可以归为2 个方面：类 是羟基磷灰石与其它材料的复台；另一类是材料的表面改性或修饰。 人体骨有机部分的主要成分是骨胶原纤维( c f ) 和其它蛋白质，使骨具 有柔韧性，赋予骨拉伸强度；而无机部分主要是羟基磷灰石，使骨具有硬度， 赋予骨压缩强度。从仿生学角度，人工合成材料若按自然骨组成结构来设计 是最理想的。所以目前有些研究者着手将羟基磷灰石与自体骨、骨形成蛋白、 骨胶原等有机物进行复合，以期达到预想的效剁l 。然而，采用机械共混方 式复合羟基磷灰石粉术和胶原，很难形成均一的、羟基磷灰石含量较高的复 合材料，限制了其力学性能和生物活性的提高。 羟基磷灰石( h a ) 具有良好的生物相容性，多孔的h a 因具有与正常骨组 织相似的多孔结构和成分，宽大的内部空问能容纳较多的细胞和各种细胞因 子等，以及其它生物化学功能，较适合作为天然活性物质的载体材料m 】。胶 胶原分子修饰羟基磷灰石及钛表面研究 原是哺乳动物结缔组织、动物蛋白及人体内某些蛋白质的主要成分胶原及 其整联蛋白结合区有助于细胞黏附，在i 型胶原支架或海绵上培养的软骨细 胞可以保持其表现形态和细胞活性，i 型胶原可作为组织再生的骨架一l 。天 然骨是一种蛋白质一羟基磷灰石复合物，所以在羟基磷灰石表面或接枝或涂 覆生物活性物质，来改变其生物活性的研究很多l l l ，”】。 纳米羟基磷灰石表面改性的方法主要有：通过离子掺杂进行表面改性， 有些离子能与羟基磷灰石中的某些离子发生交换形成固溶体使表面性质发生 改变1 1 3 1 ；也有利用表面活性剂两端的基团吸附纳米羟基磷灰石，使其呈稳定 的单分散状态，达到减少团聚的目的1 1 4 1 ：另外利用双亲水的高分子共聚物的 一端与无机材料较强的作用形成锚定，另一端在溶剂中呈舒展状态，这样也 能有效的改变羟基磷获石的表面特性【1 5 l ：最后还有在纳米羟基磷灰石表面进 行胶囊化处理形成包被膜，从而使粒子表面特性发生改变，这种方法一般和 羟基磷灰石的合成同步进行。 1 2 医用钛改性概况 理想的骨修复或替代材料应与自然骨组织形成键合，并与自然骨具有一 致的力学性质。材料和自然骨形成键合，可避免纤维包裹：材料与自然骨力 学性质相一致，可避免材料因弹性模量较高而造成骨质吸收，弹性模量较骨 低而不能起到刺激骨生长的作用。金属材料是较早被应用的生物材料，但绝 大多数金属弹性模量过高，易造成骨吸收，并且金属种植体植入体内后易被 纤维组织包裹而影响应力在材料与组织之间的传递，这将导致种植体松动。 另外金属在体内因腐蚀丽产生的游离金属离子，可能会影响免疫系统，最终 造成过敏反应。目前没有一种材料能完全满足临床使用的各种要求，如高的 耐磨性、好的耐腐蚀性和良好的生物相容性等。 钛及其合会机械强度高、理化性能稳定、生物相容性良好、耐磨损、耐 疲劳，近年来作为骨替代材料已应用于临床。但钛合金是一种生物惰性材料， 缺乏骨诱导性，不能与宿主骨组织化学性结合，仅形成一层致密的纤维包膜， 而且弹性模量偏大，机械力学适应性差，易导致应力集中而松动、脱落。目 前医用钛及其钛合会表面改性技术有很多种，大致可分为湿法和干法两大类。 四川人学硕士学位论文 湿法是利用在液相中发生各种化学反应来进行表面改性的技术，有溶胶一凝 胶法、水热合成法、电化学沉积法、碱热处理法h 6 - 1 8 1 等；干法是在气相中进 行各种反应或沉积，有等离子喷涂法、离子注入法、物理气相沉积法、化学 气相沉积法等。也可按照涂层形成机理，分为物理方法和化学方法，前者包 括各种喷涂、溅射、物理气相沉积以及离子注入等；后者分为溶胶一凝胶法、 电化学沉积( 电结晶、微弧氧化、阳极氧化等) 和表面化学处理( 水热处理、 酸碱、碱热处理等) 等工艺。 为了让材料满足承载要求的同时缩短愈合期，采用各种表面涂层或薄膜 技术在作为骨、齿等硬组织植入材料的医用钛及其合金表面施加具有骨诱导 和引导作用的生物活性涂层i l9 2 0 1 。其中，羟基磷灰石( h a ) 涂层或薄膜是 目前国内外研究最多的一种生物活性陶瓷【2 l 2 2 1 ，它与人体骨、齿中的无机成 分接近，植入后能够诱导新骨、齿长出，可获得较好的植入物一骨组织结合 界面 2 3 1 。但就目前的研究工艺而言，所生成的涂层易解相，而且与基体的结 合较差，有些还有残余应力存在。近年来在钛金属及其合金表面固定生物大 分子的方法就在一定程度上克服了上述缺点。将大分子蛋白质或酶等有机分 子物质以化学键的形式连接在经过处理的基体表面，使其具有更优良的生物 活性t 2 4 - 2 6 1 。通过分子设计( m o l e c u l a rt a i l o r i n g ) 及近代物理化学技术支持可 以合成、改性很多具有优良物理机械性能、生物相容性和能够满足人工器官 特殊功能需要的生物材料。 1 3 辐射技术在生物材料中的应用 人体组织和器官的功能障碍或丧失，是人类健康的熏要危害之一。组织 工程学问世以来，随着对细胞外基质( e x t r a c e l l a rm a t r i x ，e m c ) 生物材料的 研制和对引导组织再生( g u i d e dt i s s u er e g e n e r a t i o n ，g t r ) 生物材料的开发， 使人工合成医用生物材料的研究或人工组织代用品的研制有了长足发展。在 众多的表面改性方法中，辐射技术在生物医学高分子材料的制备、改性和消 毒的等方面应用广泛1 2 72 引。 胶原分f 修饰疑基磷灰石及钛表面研究 1 3 1 生物医学材料辐射接枝改性 辐射接枝改性是高分子生物材料工程研究最重要的技术之一。在不改变 生物材料本体特性的情况下，能够改变其表面特性，这种表面组成的变化能 引起材料表面对蛋白质吸附及细胞附着性变化，因而植入体的生物学反应也 会相应的发生改变【2 9 】。与通常用于表面改性的接枝方法相比较，辐射接枝具 有一系列的优点：高能辐射能被物质非选择性的吸收，且不受温度和分子 结构的限制，可以通过辐射接枝方法制得具有预期化学结构的产物；控制 接枝单体在本体材料中的分布方式，可以使辐射接枝反应在材料表面、中间 及内部等不同部位发生。由于辐射接枝通常不需要向体系投放引发剂之类 的添加剂，因此可制得适于某些特殊用途的高纯度材料；辐射接枝方法比 大多数常用的化学接枝方法更容易掌握，而且安全可靠。所以很多高分子生 物材料如p e 、p p 、p s 、p e t 、含硅聚合物及含氟聚合物等通过电子束、射线、 紫外线( u v ) 及离子束、等离子体等辐照技术进行表面改性，在高分子材料 表面引入相应的功能性极性基团，提高其生物相容性d o - 3 5 1 ，增强材料与生物 环境间的相互作用p 6 j 。这种方法需要材料表面有一定的活性基团，在高能辐 射作用下可以产生大量的活性点从而引发反应的进行。通常高分子材料表 面都有丰富的活性基团，作为基材具有很大的优势，故而在辐射接枝领域应 用得较为广泛p ”川。无机材料由于本身的限制，较高分子辐射接枝有一定的 难度。近年来，这方面也有了长足的进展f 4 们。 1 3 1 1 改善生物医学材料表面抗凝作用 生物材料的抗凝血性是由其表面与血液接触后所形成的蛋白质吸附层的 组成和结构所决定，而吸附层的组成与结构又取决于材料表面的组成、化学 结构与形态结构1 4 lj 。种植体材料的表面层最先与血液及组织相接触，蛋白吸 附是种植体与血液或组织接触时的最早反应。吸附的蛋白质自始至终参与， 并在一定程度上调节从材料植入到最后界面建立的全过程，因此如果控制了 蛋白质吸附层的组成与构象也就决定了材料的血液相容性行为。当材料表两 四川人学烦l 学位论史 吸附层主要是纤维蛋白原或球蛋白并且蛋白质的构象发生变化时，将激活凝 血因子与血小板，导致凝血级联反应而形成血栓。当材料表面吸附层主要是 白蛋白时，植入材料表面表现出惰性，能抑制血小板黏附，从而阻止凝血的 发生1 4 2 1 。白蛋白在材料表面的结合状态，是白蛋白可否发挥作用的关键。用 物理吸附方法获得的白蛋白涂层结合力较差，在与血液接触中容易与其他蛋 白发生交换作用，从而使凝血性能逐渐下降【4 3 1 。用y 一射线辐照接枝技术能 使植入基体材料表面与白蛋白之间以共价键方式结合，材料表面血小板的粘 附量下降3 个数量级，甚至可以达到无血小板粘附】，而且材料表面以共价 键方式接技的白蛋白的稳定性远大于物理吸附的白蛋白。引起血栓的另一个 重要因素是材料表面的物理化学特性以及血小板的活跃程度，提高抗血栓的 能力是增强材料表面和抗凝血酶i i i 间的亲和力。常见的材料表面肝素化有 明显的抗凝血和抗血栓性能，是由于肝素与血小板第1 i i 因子共同作用于凝 血酶，从而抑制纾维蛋白原向纤维蛋白转化，同时阻止血小板在材料表面黏 附，聚集，最终达到抗凝血目的【4 54 “。磺酸化偶联抗凝血酶i i i 的材料表面 和肝素涂层的表面很相似，均可促进抑制血栓和血小板粘附。用y 一射线和快 重离子在含氟高分子表面辐射接枝固定磺化苯乙烯增强与抗凝血酶i i i 的亲 和性取得良好的效果1 3 q 。 1 3 1 2 增加生物医学材料表面亲水性 医用高分子材料的表面疏水性很容易引起发炎等并发症，而且由于材料 对血液蛋白的吸附易引起血栓。而白蛋白是亲水性的，因此常需要提高生物 材料表面的亲水性，但同时要考虑对补体系统的影响。辐射技术能将亲水性 分子接枝到疏水性高分子材料的表面，从而使其接触角下降，提高材料表面 的润湿性。将亲水反应性单体辐射接枝在聚醚脲烷上，含水量、接触角均有 显著改善，表明材料表面的亲水性和湿润性提高【4 7 _ 50 1 。而材料表面亲水性的 提高又能减少蛋白质和脂类沉积，使材料的生物相容性得到提高。利用辐射 接枝改性技术，将亲水性单体( 如甲基丙烯酸b 一羟乙酯) 接枝到医用硅橡胶膜 上t 可得含水率3 0 ，高纯度的医用硅橡胶水凝胶膜，在治疗骨关节损伤疾 胶原分于修饰羟基磷灰石及钛表面研究 患等手术中，可预防组织粘连，总优良率达8 6 15 1 i 。一般来说控制好辐射剂 量和辐射范围，就可以在不改变本体材料特性的情况下，把亲水性单体和疏 水性材料有效的结合起来，扬长避短，充分发挥各自的优点，找到符合要求的 生物医学材料。 1 3 1 3 改善生物医学材料表面组织相容性 组织相容性是指材料与活体组织之间相互容纳的程度，包括材料在生理 条件下的老化，以及由于材料的存在而产生的生物学反应，除全身毒性外， 更多的是材料周围组织的局部反应，如炎症、纤维性包囊、免疫、诱变甚至 癌变1 5 ”。材料表面与蛋白质等生物大分子及细胞之间的相互作用是产生组织 生物学反应的根本原因。硅凝胶乳房假体植入后会产生纤维囊壁挛缩，其主 要原因是硅胶表面疏水，不具备生物体组织的水凝胶结构，具有明显的异体 性。在硅凝胶乳房假体表面热辐射接枝亲水性单体n 一乙烯基吡略烷酮( n v p ) ， 置入人体后，假体表面形成一层稳定的水凝胶，具有较好的生物组织相容性， 因而降低了硅凝胶的界面能，提高了界面功，大大降低组织对假体的异物反 应，增加了假体的生物相容性，可有效地减少假体周围纤维包囊的形成1 5 ”。 1 3 1 4 生物医学材料表面智能化改性 药物缓释系统除了需要良好的生物相容性，还需要控制功能和根据外界 刺激而进行开关的智能化调控1 5 ”。整个系统包括传感嚣和释放部分，如图1 所示( 5 “。药物的释放率以及自动的适时释放，一般说来是由药物和高分子材 料共同完成。当传感器接收到外界的各种刺激时，产生电信号，由激发器将 变换器传送的信号转换成机械能量，激发释放库开始释放药物【5 “。一个传感 器和固定了生物功能分子的电敏基底释放系统共同组成信号反应化学释放体 系。电敏性水凝胶适宜做激发器材料，体积的膨胀和收缩就象电场中电泳现 象的开关作用一样，体积收缩时从水凝胶中将药物挤出。热敏性水凝胶在临 6 四j 1 1 人学硕i j 学位论文 界溶液温度( l c s t ) 以下溶胀，温度升高到l c s t 以上则收缩。高分子链上的 疏水和亲水基团在不同温度点达到临界平衡时就产生体积变化，低温时亲水 基与周围的水分子形成强氢键高分子链周围形成水合层，当温度升高时 氢键减弱释放出水分子，体积相应缩小。利用热敏水凝胶的这种特性可以将 其用作药物缓释的载体，在溶胀时纳入药物，收缩时释放药物【5 7 l 。医用聚乙 烯醇( p v a ) 是具有良好生物相容性的水凝胶类生物材料。而n 一异丙基丙烯酰胺 ( n p a a m ) 类均聚物及共聚物，当温度升高到其最低临界温度( l c s t ) 以上时， 会发生从溶胀的软透明状态到消胀的硬不透明状态的变化，即体积变化在很 小的温度变化范围内可达几十倍，并能快速吸收和释放水丽体现出开关功能。 聚乙烯醇水凝胶在辐射接枝n i p p a m 时，同时接枝固定多肽r g d s ，使这个药物 缓释系统还具有一定的细胞识别功能1 5 3 i 。 利用工程学原理与方法将具有特定信号识别功能的生物分子与现有高分 子生物材料结合，制成新一代有特定修复功能豹“智能”材料是当前生物材 图1 ，信号响应释放系统模式图 t a b i e1 1t h em o d e io fr e i e a s es y s t e m 料研究领域的前沿。控制粘附蛋白对细胞与生物材料之间的粘附、增殖及分 胶原分子修饰羟基磷灰石及钛表面研究 化等一系列反应，进行界面预测和监控，使反应由随机到有序，由非特异性 到特异性。即通过材料表面分子设计与修饰构建新一代的具有特定信号识别 功能的智能分子生物材料。目前对高分子材料表面进行分子生物学设计，其 主要方法是将一些有生理功能的物质( 如蛋白质、多肽、酶和细胞生长因子等) 接枝固定在材料表面，充当邻近细胞、基质或可溶性因子的配基或受体，使 表面形成一个能与生物活体相适应的具有特定信号识别功能的过渡层1 5 9 啦】。 因此材料表面特定信号识别功能的生物化处理的目的是在提高材料生物相容 性的同时，又添加新的智能化的生理活性。r g d 能促进成骨细胞的生长，抑制 破骨细胞之间、破骨细胞与基质之间的粘附，阻止破骨细胞的增殖、迁移、 分化，从而促进骨组织的再生f 6 3 1 。因此在材料表面直接固定多肽r g d ，制成 受体专门性材料，可以促进受体介导的骨细胞对表面的粘附来提高其骨组织 相容性。植入材料表面改性工程中，具有特定信号识别功能分子与基材之间 用麸价键方式相结合是最理想的状态。通过辐射接枝固定r g d 肽或胶原蛋白 进行表面修饰的材料能显著增加细胞运动的持续时间蝌“5 1 。 辐射接枝技术在生物材料的表面改性上具有广阔的应用前景，尤其在有 机高分子材料上已得到越来越多的生物材料研究者的青睐。但从国内外资料 分析看，在生物无机材料( 如金属、陶瓷等) 辐射引发接枝具有特定信号识 别功能有机单体的研究，相比前者要逊色得多。辐射化学基础研究表明某些 金属氧化物及盐类被商能射线在特定条件下辐照活化，可以接枝有特定意义 的有机单体【。因此在生物材料表面进行分子设计与修饰，接枝具有特定蛋 白质识别功能的多肽r g d 及蛋白质，制备具有分子识别性可调控的生物材料 将成为生物材料领域的研究热点。 1 3 2 辐射聚合合成生物医学材料 通过高能辐射( 电子束或y 射线) 引发聚合反应合成生物医学材料：产 物纯度高。在无任何添加剂( 如引发剂) 的条件下对材料进行极其温和的合 成及改性。因引发步骤的活化能很低，能实现低温聚合。可容易地控制聚合 物基材的形状与结构，最重要的一方面是低温合成能够保证生物活性物质( 如 四j 1 1 人学硕士学位论文 细胞、酶等) 不被损伤。 过冷态辐射聚合是辐射化学中最具特色的聚合方式。所谓过冷态聚合是 指把单体冷却到熔点以一卜，玻璃化温度以上的某一过冷温度范围进行辐射聚 合，此时单体粘度很大但仍处于玻璃态。因为这类单体在温度冷却到熔点以 下时并不结晶而处于稳定的过冷状态；继续冷却时，粘度急剧增大；温度达 到玻璃化温度t g 时，成为非晶态固相( 玻璃态) ，玻璃态的材料极易发生辐 射聚合反应。此时若将非过冷的溶剂加入到过冷的单体中，则会结晶悬浮形 成多孔结构，孔穴率取决于结晶度。过冷态辐射聚合的优点在于辐射产生的 自由的激发粒子被冻结减少了对具有生物功能的活化分子的辐射损伤，而 且形成的多孔结构可以为固定生物成分提供足够大的面积。以上优点使得过 冷态辐射聚合成功地应用于生命科学及生物医学材料研究，合成水凝胶研制 新型药物输送体系以及固定化的酶、活性细胞和抗体等生化制剂1 6 ，| 6 羽。在免 疫诊断试验用载体与生物活性试剂固定化方面，常用聚合物微球作为载体。 二甲基丙烯酸二乙二醇酯与n 一甲基丙烯一琥珀酰亚胺共聚合成聚合物微球，用 于葡糖淀粉酶的固定化。在微球合成中，溶剂性质、辐照温度和单体浓度等 因素严重影响微球的外形、直径等从而影响其最终性能陋”。 1 3 3 增加生物医学材料的强度 生物材料除应具有良好的相容性外，还应根据其使用的目的而具备相应 的机械力学性能和不同层次的生物学功能。某些天然高分子材料具有良好的 生物相容性和可降解性，但机械性能较差往往无法满足使用要求陋，。交联是 增加材料力学性能的有效方法，辐射交联利用射线的能量活化材料，使材料 获得所需的活化能，激发形成活性点，自身发生交联反应1 7 0 j 。整个过程不需 要添加任何其它试剂，不会形成干扰。壳聚糖是一种可生物降解的天然氨基 多糖，含有某些有助于细胞粘附和保持细胞分化功能的信息。但在用于人工 神经导管材料上时，一个突出问题是其韧性较差。经y 一射线辐照后，其拉仲 强度和断裂相对延伸率均有不同程度的提高，同时没有改变其生物相容性。 壳聚糖经y 一射线辐照后材料的结晶度有变化，在最优辐射剂量下，结晶度 9 股鲰分了修饰羟崔磷灰石及钛表面研究 得到显著升高】。辐射交联使水凝胶形成网状结构，组织工程应用中可作为 支架材料。如果材料的含水量和组织的含水量相似，对组织和血液的生物相 容性就好，因此水凝胶用来作为接触眼镜，人造筋腱，伤口粘合，人工肾膜， 人造皮肤等。p v p 经y 一射线辐照形成水凝胶已经作为伤口敷料得到应用。超 高分字量聚乙烯( u h i 帅p e ) 用作胫骨和髋臼植入体的表面材料来达到承力的 目的，辐射交联可以提高u h d w p e 的机械性能和耐损耗能力，交联度决定于辐 照剂量，辐照氛围以及辐照温度。而且可以控制条件把这种模量和硬度( 化 学和物理修饰) 仅仅发生在材料表面层【_ 陀】，整个材料的物理机械性能不发生 改变。 1 3 4 辐射固化制备生物医学材料 特殊配方的树脂吸收高能量射线辐照后，产生活性自由基或离子，在体 系中引发聚合、交联和接枝反应，使树脂体系在数秒内由液态转化为固态。 紫外光固化树脂体系在牙科上的应用，为无数的牙病患者解除了痛苦。对于 骨缺损的患者，骨水泥的发明无疑是一大福音，紫外辐照可使骨水泥快速固 化，在室温下快速成型，大大缩短外科手术的时间和减小手术刨伤。高度交 联骨水泥的特性介于皮质骨和骨小梁之间，因此可确保骨水泥能很好的附着 在天然骨上1 7 ”。软组织粘接固定为伤口以及损伤组织愈合提供了一个新的思 路，同时对粘结剂本身提出了很高的要求：具有良好生物相容性，在粘结组 织时能快速固化，并且不对活体组织造成任何损伤。n 一乙烯基吡咯烷酮在紫 外照射下，3 分钟之内粘接强度就可达4 6 牛米( r 4 1 ，辐射固化在促进软组织 伤口愈合上有美好的应用前景。 i 3 5 生物医学材料辐射消毒 当用一定剂量的y 射线或电子加速器产生的离能电子束对材料进行辐照 时，通过直接或间接的作用引起微生物dna 、蛋白质、脂类等有机分子中 叫川大学硕十学位论文 化学键的断裂，其中起主要作用的是dna 损伤，如dna 单链或双链的断 裂、蛋白质与dna 分子交联、dna 序列中碱基的改变，导致微生物死亡， 使之无菌、延长库存期，从而保证材料的卫生、安全。辐射消毒灭菌应用较 多的源是钴c o ”和高能电子束，通常剂量为2 5 k g y 。c o ”的穿透能力较电子束 强，是外科缝合和敷料、注射器、骨的金属替换物以及膝：髋关节假体的理 想消毒方式。电子束因穿透力较差故不适合对厚或者高密度的产品进行消毒 灭菌。u v 射线用于一般的消毒灭菌也有较多应用。 随着人类进入老龄化社会，医疗器件临床应用将日益增多，研究开发生 物相容性优良、耐久性高及具有特殊功能性的生物材料显得日益重要。在生 物体内所用的器件之中，特别是在要求一定力学强度、生物降解性等部位使 用材料，高分子材料发挥着重要作用。分子设计及近代物理化学技术支持可 以制备新型材料和改性已有材料。辐射接枝、聚合、交联、固化及消毒等以 高分子辐射化学为基础理论的辐射技术在生物医学材料的制备、改性和消毒 上的研究及应用，将促进生物材料发展。 1 4 本课题的构思及方案 在材料表面的分子设计与修饰中，制备接枝材料的方法很多，原则上有 多少种引发方式就有多少种接枝方法。按枝修饰后的材料既能保持原有材料 本体的物理化学性质，同时又赋予材料接技成分的新性能。从上个世纪四十 年代a c h a p i r o 发现高能辐射引发有机高分予材料接技聚合反应以来，在接 枝理论、接枝共聚物盼研究与应用等方藤都迅速发展1 7 5 】。与化学、低能辐射 等引发接枝方法相比，电离辐射能被物质非选择性吸收，且不受环境温度和 分子结构限制，原则上可以通过辐射接枝方法制得具有预飙结构的接枝物， 对材料表面的改性厚度也可以自由控制。有机高分子材料表面，化学、光化 学、等离子体化学及辐射化学引发接枝反应是众所周知的1 7 6 - 7 8 】，然而通常的 方法引发无机材料表面接枝有机单体反应却极其困难。而高能射线在某种适 宜条件下，可以使无机材料活化并引发接枝反应f i g - s 2 】。 细胞生物学研究表明，胶原分子中所包含的r g d 序列是整合素受体和细 胞外基质( e c m ) 配体相结合的位点，r g d 还能抑制破骨细胞之间、破骨细胞 胶原分子修饰羟基磷灰石及钛表面研究 与基质问的黏附，促使成骨细胞的生长，从而促进骨组织的再生f 8 3 】。骨组织 具有再生能力，但是新骨组织的形成必须满足三个条件m8 5 1 ：存在骨形 成的前体细胞；有允许骨形成的环境和充足的营养；必须有成骨细胞附 着的基底。胶原材料在植入体内后降解，释放大量的氨基酸于周围环境中， 材料表面形成氨基酸库，为骨形成提供充足的营养成分。成骨细胞从周围环 境中摄取所需的氨基酸，合成并分泌胶原纤维及有机基质，合成的胶原纤维 作为模板，在富含c a 、p 的环境中发生类骨质的钙化，成骨细胞包埋其中成 为骨细胞，形成骨组织【8 6 l 。 从国内外的研究文献来看，羟基磷灰石和医用钛表面的改性方法多种多 样，但是都存在一定的局限和困难。高能辐射引发的接枝反应可以控制在材 料表面，对于材料本身的机械性能影响很小。事实上种植体与生理环境之间 的各种反应也仅发生在材料的表面。从以上的分析得出本课题的设计方案及 构思：在材料表面固定胶原蛋白分子利用胶原蛋白的生物活性，改善材料 与机体的界面反应同时获得生物活性表面，从而改变整个材料的某些生物相 容性。具体如下： lrlt - g - c h 2 c h 2 c o o c h 2 c h 2 0 h l 卜对辐射敏感有机单体i 卜_ g c h 2 c h 2 c o o c h 2 c h 2 0 h 1 型牛胶原 l = 的基团g 赢legg=chh22cchh2：cc。o。occhh22cchh2z。ohh；：l卜u一- 隅删一俩驮 2 c h 2 0 n h ( 胶原 2 c h z o - - n h 一胶原 2 c h 2 0 - 一n h 一( 胶原 2 c h 2 0 - 一- - n h 吖胶原 3 4 ( 1 ) 将原材料与丙烯酸羟乙酯h e m a 共辐照，得到共价接枝的材料； ( 2 ) 在接枝了h e m a 的材料表面再偶联上i 型牛胶原，得到最终的改 四j i i 大学顺i 学位论文 性材料： ( 3 ) 对改性后的材料进行相关表面物理化学特征的测试和表征： ( 4 ) 对辐射接枝反应条件进行优化设计，得出最佳实验条件： ( 5 ) 对改性后的材料做蛋白吸附和模拟体液浸泡实验，比较在接枝以 及偶联前后材料表面性能发生的变化。 希望通过以上研究能够得到一种生物材料的表面改性方法，使材料表面 固定对细胞起粘连分子作用的整联蛋白受体r g d ，引入能使生物材料具有诱导 细胞粘连和其他的特异功能的活性基团，改善无机一有机材料的界面同时 得到生物活性表面，来达到改善材料生物相容性的目的。 胶原分子修饰羟慕磷灰石及钛表面研究 第二章羟基磷灰石表面辐射改性的研究 2 1 前言 羟基磷扶石与胶原复合制备类骨复合材料的方法很多，增韧材料与基体 间的界面性质是影响复合材料力学性能的重要因素之- - 1 8 7 l 。无机相填充的复 合材料的性能，除了依赖于聚合物基体和填料固有的内在性质外，很大程度 上依赖于它们之间的界面性质。无机与有机相之间缺少牢固的键合，力学性 能就会受限制。虽然高温烧结的羟基磷灰石陶瓷具有较好的力学性能，但是 其结构、组成和结晶度等与自然骨磷灰石晶体相差较大，