（生物医学工程专业论文）高强度纳米羟基磷灰石胶原仿骨材料研究.pdf

四川人学博十学位论文 的纳米羟基磷灰石胶原复合材料的制备技术。采用正交试验方法对影响复合材 料力学性能的因素进行了研究，确定了最佳工艺条件。采用f t l r 、x p s 、d s c 、 s e m 等技术探讨了原位合成自然干燥、戊二醛交联制各高力学性能、低溶胀性 复合材料的机理。依据i s o1 0 9 9 3 标准，采用浸泡、骨内植入、皮下植入和测 试材料的细胞毒性、致染色体畸变、致敏性等方法对材料的生物活性、生物相 容性和降解性进行了评价。 采用低温酸溶冒蛋白酶消化、盐析、胶原纤维重建形成水凝胶的方法能够 获得可溶性i 型胶原。胶原具有天然胶原特有的周期性横纹结构，其理化性能 和生物学性能达到了医用植入型胶原的要求，体内植入表明其具有良好的生物 相容性，生物降解性，1 2 周开始降解，2 0 周材料仍然完整，部分区域降解并可 见血管形成，降解时间比通常报道的长。克服了现有胶原材料体内降解速度太 快的缺陷。体外胶原纤维沉淀析出受胶原溶液的离子强度、p h 值、温度的影响。 在其他条件一定时，降低温度将延缓胶原纤维形成和沉淀析出时间，有利于形 成均匀、稳定的胶原纤维，同时也有利于胶原与纳米羟基磷灰石均匀复合。“c o 低温辐照对胶原纤维的稳定性和生物相容性有影响，低于2 5 k g y 剂量辐照将增 加胶原稳定性，高于此剂量辐照将使其稳定性和生物相容性降低，无菌检查表 明2 5 k g y ”c o 低温辐照达到了生物医用材料无菌要求。 比较了共沉淀法、共混法、低温原位合成法等三种方法，制备得到了纳米 羟基磷灰石胶原复合材料。结果表明原位合成纳米羟基磷灰石的晶体尺寸、结 晶度比共沉淀法、水热合成法制得的纳米羟基磷灰石更接近于自然骨，原位合 成的羟基磷灰石胶原复合材料的均匀性和力学性能均优于共沉淀法和共混法。 因而，低温原位合成法是改善复合材料均匀性，提高复合材料力学性能的有效 方法。与冷冻干燥复合材料相比，自然干燥复合材料发生了更多的交联反应， 胶原与胶原之间氢键密度高、胶原纤维的结晶度和热稳定性高，其力学性能远 远高于冷冻干燥的复合材料。原位合成自然二r 媒的方法制备纳米羟基磷灰石 胶原复合材料，其抗弯强度高达6 0 m p a ，比文献报道的同类复合材料的抗弯强 度高出1 5 倍。 采用三因素三水平两指标正交试验研究了复合材料组成、合成p h 和温度 对材料抗弯强度和抗压强度的影响。热重分析正交试验各样品的组成与试验设 计相符合。复合材料中h a 含量的变化对复合材料的抗弯强度和抗压强度的影 四川丈学博十学位论文 响规律相同，h a 含量增高，复合材料的抗弯强度和抗压强度出现峰值，过高 的h a 含量将导致复合材料的抗弯强度和抗压强度降低。低温有利于复合材料 的抗弯和抗压强度提高，较高温度则复合材料的抗弯和抗压强度降低。在一定 的p h 值范围内，复合材料抗弯、抗压强度高，过高p h 值对抗压强度有利但抗 弯强度降低。综合考虑各因素对抗弯和抗压强度的影响后，最优工艺方案确定 为：h a 组成为6 5 ，合成温度为2 5 ，合成p h 为9 。通过工艺条件优化，复 合材料的抗弯强度进一步提高1 5 倍，高达9 0 m p a 。 采用浸泡和原位戊二醛交联，复合材料的溶胀性均得到改善。在相同交联 剂量下，原位交联复合材料的交联度高于浸泡交联复合材料。戊二醛交联导致 酰胺键a 、b 、i 和的振动频率降低，o l s 、c a 2 p 、n 1 s 、p 2 p 和c l s 的结合 能增加，复合材料熔点温度升高，引发复合材料中胶原纤维内以及纤维之间、 胶原纤维与羟基磷灰石之问大量氢键和其它新键的形成，使复合材料中胶原的 构型发生改变。戊二醛交联加强了胶原纤维和羟基磷灰石之间的界面结合，并 在h a c o l 复合材料中建立了胶原网状结构，增加了复合材料的热稳定性，降 低了复合材料的溶胀度。比较研究结果表明原位交联法是提高复合材料交联度、 加强复合材料各相问界面结合、降低复合材料溶胀度、提高复合材料热稳定性 的有效方法。通过戊二醛原位交联，解决了复合材料溶胀度高和稳定性低等问 题。 复合材料浸泡于s b f 溶液中2 周后，能诱导c a p 类骨磷扶石晶体在其表 面形成，复合材料中弱结晶的羟基磷灰石的溶解和胶原纤维表面带负电荷的基 团的存在为复合材料表面类骨磷灰石的形成创造了有利条件。复合材料具有生 物活性。 复合材料骨内植入4 周后，在材料和骨组织的界面处有新骨生成、成骨细 胞活跃。1 2 周时，界面处有大量的新骨形成。皮下植入4 4 周后，材料降解成 碎片，组织长入材料降解区域。生物学性能评价表明复合材料具有体内降解和 促进骨形成的能力和良好的生物相容性，不具有致染色体畸变作用和细胞毒性， 对皮肤无致敏作用。因而，纳米羟基磷灰石胶原仿骨材料是一种潜在的骨替代 材料。 关键词：高强度纳米羟基磷狄石胶原仿骨材料特性 四川大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w t ho ft h e a g e dp o p u l a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n t o fm o d e m t r a n s p o a a t i o na n da t h l e t i c s ，t h ei n c r e m e n to fo s t e o p o r o s i sa n dt h em i d d l e a g ea n d y o u t hw o u n d ，t h en e e dt ob o n er e p a i r i n gm a t e r i a l si n c r e a s e dc o n t i n u o u s l y t h eb o n e s u b s t i t u t e sc u r r e n t l ya v a i l a b l eh a v es p e c i f i cd i s a d v a n t a g e sa n dn o n eo ft h e mi s e n t i r e l ys u i t a b l ef o rt h ec l i n i c a la p p l i c a t i o n si n c l u d i n ga u t o g r a f to ra l l o g r a f t ，m e t a l s o rm e t a la i l o y ，p o l y m e ra n dc e r a m i c s w h i l ea u t o g r a f t sa n da l l o g r a f t su s u a l l y a c h i e v eg o o dr e s u l t s ，t h e i ra p p u c a f i o n sa r er e s t r i c t e dd u et or e q u i r i n gt w os u r g i c a l p r o c e d u r e sa n dd o n o rs h o r t a g ef o ra u t o g r a p ha n di m m u n o l o g i cr e s p o n s ea n dr i s ko f t r a n s m i t t i n gd i s e a s e sf o ra l l o g r a f t am i s m a t c ho fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e n m e t a l sa n ds u r r o u n d i n gb o n em a yc a u s es t r e s s s h i e l d i n ga n db o n ea b s o r p t i o n l o w e l a s t i cm o d u l u so fp o l y m e rl i m i t e di t sa p p l i c a t i o ni nb o n er e c o n s t r u c t i o n a l t h o u g h h y d r o x y a p a t i t eb i o a c t i v ec e r a m i c sc a nb o n dt ob o n et i s s u e ，i ti sn o tp r o p e rf o rt h e m t ob eu s e df o rt h er e p a i ro fb e a t i n g b o n ed u et oi t sb r i t t l e n e s sa n du n d e g r a d a b i l i t y t h e r e f o r e ，i ti su n l i k e l yt h a tas i n g l em a t e r i a l sw o u l eb ec a p a b l eo fm e e t i n gt h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fb o n e n a n o h y d r o x y a p a t i t e c o l l a g e n ( n a n o h a c o l ) c o m p o s i t e sh a v eb e e ne x t e n s i v e l y i n v e s t i g a t e dd u e t ot h e i rc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r es i m i l a rt on a t u r a lb o n e h o w e v e r , n a n o h a c o lc o m p o s i t e ss y n t h e s i z e db yv a r i o u sc u r r e n tm e t h o d sd e m o n s t r a t el o w m e c h a n i c a ls t r e n g t h ，h i g hs w e l l i n gd e g r e ea n df a s td e g r a d a t i o n t h e s ei n a d e q u a c i e s l i m i tt h e i rc l i n i c a la p p l i c a t i o n t h o s es h o r t c o m i n g so ft h ec o m p o s i t ea r ea r r t r i b u t e d t o i n s t a b i l i t y a n df a s t d e g r a d a t i o n o f c o h a g e nf i b e r s ，c o n g l o m e r a t i o n o f n a n o h y d r o x y a p a t i t e ，i n h o m o g e n e o u sd i s p e r s i o na n dl o wc o n t e n to fh y d r o x y a p a t i t e i nc o l l a g e nm a t r i xa n dw e a ki n t e r f a c eb o n db e t w e e nh y d r o x y a p a t i t ea n dc o l l a g e n t h e r e f o r e ，as y s t e m a t i cs t u d y ，f r o mc o l l a g e ne x t r a c t i o n ，s t e r i l i z a t i o na n di nv i t r o f i b r i l l o g e n e s i s ，s y n t h e s i sa n dd r y i n go ft h ec o m p o s i t e ，o p t i m i z a t i o no fp r e p a r a t i o n c o n d i t i o n sa n dc r o s s l i n k a g eo ft h ec o m p o s i t e ，w a sp e r f o r m e dw i t ht h ea i mt o i m p r o v et h em e c h a n i c a ls t r e n g t ha n ds w e l l i n gd e g r e eo ft h ec o m p o s i t e s t h ee x t r a c t i o nm e t h o da n dc o n d i t i o n so fa c i d d i s s o l u t i o n p e p s i nd i g e s t i o n ， 四川大学博士学位论文 r e c o n s t r u c t i o no fc o l l a g e nf i b i l l sa n d ”c oi r r a d i a t i o ns t e r i l i z a t i o na tl o wt e m p e r a t u r e w e r ed e v e l o p e dt oo b t a i nm e d i c a lt y p eic o u a g e n a f t e ri m p l a n t e ds u b c u t a n e o u s l yi n r a t1 2w e e k s c o l l a g e nd e g r a d a t i o nw a so b s e r v e d c o u a g es h a p ew a ss t i l li n t a c ta t2 0 w e e k s d e g r a d a t i o no fc o l l a g e ni ns u b c u t a n e o u sw a sf o u n dm u c hs l o w e rt h a nt h e o t h e r sr e p o r t e d f i b r i l l o g e n e s i so fc o l l a g e na tl o wt e m p e r a t u r ei sf a v o r a b l et of o r m t h eu n i f o r ma n ds t a b l ec o l l a g e nf i b e r sa n dn a n o h a c o lc o m p o s i t e s t h ed e g r e eo f c r o s s l i n k i n ga n ds t a b i l i t yo fc o u a g e na f t e ry - i r r a d i a t i o nw e r ei m p r o v e d i nar a n g e o fl e s st h a n2 5 k g yi r r a d i a t i o nd o s e ，n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e si nc y t o c o m p a t i b i l i t y o fc o h a g e ni r r a d i a t e db yy - r a yw e r eo b s e r v e d h o w e v e r ，w h e ni r r a d i a t i o nd o s e s w e r eb e y o n d2 5 k g y ，t h ec y t o c o m p a t i b i l i t y o fc o l l a g e nw a si n f l u e n c e d b y y - r a d i a t i o nt os o m ed e g r e e c o l l a g e ns t e r i l i z e db y2 5 k g y6 0 c oa tl o wt e m p e r a t u r e h a dp a s s e dh y g i e n i ce v a l u a t i o n i nt h i sp a p e r ，am e t h o do fi n s i t us y n t h e s i s ，c r o s s l i n k i n gb yg l u t a r a l d e h y d ea n d a i r d r y i n g o ft h e c o m p o s i t e a tl o wt e m p e r a t u r ew a se x p l o m dt of a b r i c a t e t h e n a n o h a c o lc o m p o s i t ew i t h h i g hb e n d i n g s t r e n g t h ，l o ws w e l l i n gd e g r e ea n d p r o p e rd e g r a d a t i o nr a t e c o m p a r i s o n o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o m p o s i t e s p r e p a r e db yt h r e em e t h o d sr e v e a l e dt h a tt h el o wt e m p e r a t u r ei n s i t us y n t h e s i sa n d a i r - d r y i n gw a sa ne f f e c t i v ew a y t oo b t a i nb i o m i m e t i cn a n o h a c o lc o m p o s i t e sw i t h g o o dh o m o g e n e i t ya n d m e c h a n i c a ls t r e n g t h l 9 ( 3 ) 4o r t h o g o n a ia r r a yd e s i g n w a si m p l e m e n t e dt o o p t i m i z ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sf o rp r e p a r a t i o no ft h ec o m p o s i t eu s i n gi n s i t us y n t h e s i s c o n t e n to f h y d r o x y a p a f i t eo ft h ec o m p o s i t e ，s y n t h e s i st e m p e r a t u r ea n dp hw e r ec h o s e na sm a i n p a r a m e t e r s a s ar e s u l to ft h eo r t h o g o n a l a n a l y s i s i nt h i s s m d y c o n t e n to f h y d r o x y a p a t i t ea n ds y n t h e s i st e m p e r a t u r ew e r et h em o s ti n f l u e n c i n gp a r a m e t e ro n b e n d i n ga n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h p r o p e r c o n t e n to fh aa n dl o w s y n t h e s i s t e m p e r a t u r ew e r eb e n e f i c i a lt oh i g hb e n d i n gs t r e n g t ho f t h ec o m p o s i t e t h eo p t i m u m e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sw e r ea c h i e v e d b yo r t h o g o n a la r r a y t h e m e a n b e n d i n g s t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t es y n t h e s i z e db yi ns i t us y n t h e s i sa n da i r - d r ya tt h e o p t i m u ms y n t h e s i sc o n d i t i o n w a s9 0 m p aw h i c hi st w ot i m e sh i g h e rt h a nt h a t r e o o r t e d 四i t 大学博士学位论文 t h e c o m p o s i t ew e r ec r o s s l i n k e db yi m m e r s i n gt h e m i n a q u e o u s s o l u t i o n s c o n t a i n i n gg l u t a r a l d e h y d e ( g a ) a n di n s i t u c r o s s l i n k i n gm e t h o d s g ai ns i t u c r o s s l i n k a g ew a sm o r ee f f e c t i v et od e c r e a s et h es w e l l i n gd e g r e ea n dt oi m p r o v et h e m e c h a n i c a ls t a b i l i t yo ft h ec o m p o s i t et h a nt h eo t h e r f 兀r ，x p s ，d s ca n ds e mw e r ee m p l o y e dt o i n v e s t i g a t et h em e c h a n i s mo f s y n t h e s i s ，d r y i n ga n dc r o s s f i n k a g eo ft h ec o m p o s i t ew i t hh j i g hm e c h a n i c a ls t r e n g t h a i r d r y i n ga n dg ac r o s s l i n k i n go ft h ec o m p o s i t ei n d u c e dt h ec o n f o r m a t i o nc h a n g e s o ft h ec o l l a g e nm o l e c u l e sa n dt h ef o r m a t i o no fb o n d i n gb e t w e e nc o l l a g e nf i b e r sa n d h a c r y s t a l s ，a si n d i c a t e db yt h es h i f t so fa m i d ea ，b ，ia n di i ib a n d st ol o w e rw a v e n u m b e r sa n dc h a n g e si nc h e m i c a ls t a t ea n db i n d i n ge n e r g yo fo l s ，c is ，n 1 s ，c a 2 p ， a n dp 2 p t h ef o r m a t i o no fn e t w o r ks t r u c t u r e sa n de n h a n c e di n t e r f a c i a lb o n di nt h e c r o s s l i n k e dh a c o lc o m p o s i t er e s u l t e dt ot h ed e c r e a s eo fs w e l l i n gd e g r e ea n d i n c r e m e n to fm e c h a n i c a ls t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e s s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n de n e r g y - d i s p e r s i v ex r a ya n a l y s i sb e f o r ea n d a f t e ri m m e r s i o no ft h ec o m p o s i t ei ns b fc o n f h m e dt h a tt h ec o m p o s i t eh a d 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 ya n dd e g r a d a b i l i t yo ft h ec o m p o s i t ew e r ee v a l u a t e dv i a t e s t so fc y t o t o x i t y , s e n s i t i z a t i o n ，g e n o t o x i c i t ya n di m p l a n t a t i o ni nb o n ea n d s u b c u t a n e o u so ft h ec o m p o s i t e ，a c c o r d i n gt oi s o1 0 9 9 3a n dg b t 1 6 8 8 6g u i d e l i n e s n e wb o n ef o r m a t i o nw a so b s e r v e di nab o u n d a r yl a y e rb e t w e e nt h ec o m p o s i t ea n d r e c i p i e n tb o n ea f t e r4w e e k s l a g e rq u a n t i t a t i v eo fn e w l yb o n e sw a sf o u n di nt h e r e g i o na r o u n dt h ec o m p o s i t ea f t e r1 2w e e k s a f t e ri m p l a n t e ds u b c u t a n e o u s l yi nr a t 4 4w e e k s ，t h ec o m p o s i t ed e g r a d e di n t os m a l lf r a g m e n t sa n dt i s s u e sg r e wi n t ot h e r e g i o nr e s u l t e df r o mt h ed e g r a d a t i o no ft h ec o m p o s i t e t h er e s u l t so fb i o l o g i c a l e v a l u a t i o ns u g g e s t e dt h a tt h ec o m p o s i t e sh a de x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y , s a t i s f a c t o r y b i o d e g r a d a b i l i t y a n db o n e f o r m a t i o n a b i l i t y t h ec o m p o s i t e d i dn o ti n d u c e g e n o t o x i c i t y , c y t o t o x i c i t ya n ds e n s i t i z a t i o n k e yw o r d s ：n a n o h y d r o x y a p a t i t e ，c o l l a g e n ，b i o m i m e t i cc o m p o s i t e ，c h a r a c t e r i s t i c s 四川大学博十学位论文 第一章文献综述 1 1 骨组织的组成与结构 1 1 1 骨组织的组成 骨组织是由骨细胞和矿化的细胞间质( 骨基质) 组成的高度分化的结缔组 织，其最大特点是骨基质中有大量的钙盐沉积，使骨组织成为人体最坚硬的组 织之一f 1 ，2 1 。 骨组织内的细胞一般可分为四种类型，即骨母细胞( 骨原细胞) 、成骨细胞、 骨细胞和破骨细胞。在骨的形态结构不断破坏和改建过程中，这四种细胞共同 完成吸收旧骨与生成新骨的作用。 骨基质是矿化的细胞间质，主要由无机质和有机质构成，其中无机质占干 骨重的6 5 7 5 ，而有机质约占干骨重的3 0 。骨基质中含水较少，仅占湿骨 重量的8 - 9 。 无机质( 又称骨盐) 中磷酸钙占8 4 。碳酸钙l o ，柠檬酸钙2 、碳酸 氢钠2 ，磷酸镁1 。无机质大部分以弱结晶的羟基磷灰石形式分布于有机质 中，少部分无定形磷酸钙是最初沉积的无机盐，以非晶态形式存在，随后转变 为结晶的羟基磷灰石。电镜下观察，羟基磷灰石结晶呈柱状或针状，长2 0 4 0n m ， 宽2 - 3 n m 。晶体体积小，密度大。每克骨盐含1 0 1 6 个晶体，其表面积极大，可达 1 0 0 m 2 。它们位于胶原纤维表面和胶原原纤维之间，沿纤维长轴以6 0 7 0n i n 的 间隔规律地排列。羟基磷灰石晶体还吸附许多其他矿物质，如镁、钠、钾和一 些微量元素，包括锌、铜、锰、氟、铅、锶、铁、钼、镭等。因此，骨是钙、 磷和其他离子的储存库。这些离子能位于羟基磷灰石结晶的表面，或能置换晶 体中的主要离子，或者两者同时存在。晶体中的o h 一可被f 取代，c 0 4 2 能取代 晶体中的p 0 4 3 - 3 ，4 】。 有机质包括胶原纤维和无定形基质，其中胶原纤维占9 0 ，无定形基质仅 占有机质的1 0 左右。 骨胶原是一种结晶纤维蛋白，主要为i 型胶原 5 ，6 】。i 型胶原蛋白分子是 四川大学博士学位论文 由两条q 1 ( i ) 和一条旺2 ( i ) 多肽链相互缠绕形成的三螺旋结构，由2 0 多种氨基酸 组成，其中甘氨酸约占3 3 ，脯氨酸和羟脯氨酸约占2 5 。小分子甘氨酸减少 胶原链堆积的位阻，使其易于形成三螺旋，脯氨酸和羟脯氨酸的羟基是三螺旋 结构赖以形成氢键的基团。在螺旋和非螺旋结构位点的特定部位的赖氨酸与羟 赖氨酸，对于胶原链内和链间稳定的共价交联、形成超螺旋分子的过程具有决 定性的作用【7 ，8 。体内胶原纤维的形成主要包括如下几个过程 9 】：1 ) 细胞摄 取脯氨酸、赖氨酸和甘氨酸等氨基酸合成c l 一多肽链。三条一多肽链互相缠 绕成螺旋状的前胶原蛋白分子。2 ) 前胶原蛋白分子切去分子两端球状构形部 分，形成粗约1 5 r i m ，长约3 0 0 h m 的胶原蛋白分子。3 ) 胶原蛋白分子平行排 列聚合形成具有6 4 6 7 n m 周期横纹的胶原纤维。聚合时，分子内、分子间的化 学基团进行缩合、交联形成稳定的胶原纤维。胶原蛋白分子及胶原纤维形成的 基本过程如下图1 1 。 ip i b r i l _ n c f - 曩 k ! 口 t h p x h y 啊b r 坷i b r r 勰三! 苎篓釜堡篓尝蔓胃 t r i p 。1 4 1 高寡惫劳专篁鼍禽菩惫掣器每等娣 n m _ 二一一一 1 0n m 1 、r _ c l i l d i q i 1 l l i p i c h l l l n d c k d n 、 y 。xv c ；i y l 图2 - 8 胶原蛋白分子及胶原纤维形成基本过程示意图 a - y 。 一- 骨胶原纤维和其他胶原蛋白的最大不同在于它在稀酸液中不膨胀。也不 2 四川大学博士学位论文 溶解于可溶解其他胶原的溶剂中，如中性盐和稀酸溶液等。骨胶原纤维具有 这些特殊的物理性能，是由于骨i 型胶原蛋白分子之间有较多的分子间交联。 扫描电镜下所见，骨基质中的胶原纤维分枝，呈连接错综的网状结构( 图1 - 2 ， 图1 - 3 ) 【1 。胶原纤维的直径随年龄增长而逐渐增粗。随着骨代谢不断进行， 胶原蛋白也不断降解和合成 1 0 ，1 1 。 图1 - 2 电镜下胶原纤维的自 然形状x 7 0 0 0 图卜3 兔骨基质扫描电镜显示胶原 纤维分支错综复杂的网状结构 2 0 0 0 0 无定形基质仅占有机质的1 0 左右，是一种没有固定形态的胶状物，具有 粘合胶原原纤维及影响钙盐沉积的作用。主要成分是蛋白多糖和蛋白多糖复合 物。还有很少脂质，占干骨重0 1 ，包括磷脂、游离脂肪酸等。无定形基质含 有许多非胶原蛋白。主要有以下几种：骨钙素、骨桥蛋白、骨涎蛋白、骨粘连 蛋白和钙结合蛋白等 t 2 】。 从材料学的角度来看，自然骨可以认为是由无机纳米羟基磷灰石和有机胶 原纤维构成的复合材料。纳米粒子填充于胶原纤维基质中，赋予骨坚硬性和高 的压缩强度，胶原纤维赋予骨强的韧性、弹性和高的抗拉、抗弯强度。有机质 与无机质结合，使骨组织具有坚强的支持能力 1 3 1 5 1 。 1 1 2 骨组织结构 骨分为密质骨和松质骨，表面一层十分致密而坚硬，称为密质骨。内层和 两端是许多下规则的片状或线状骨质结构，称松质骨。在成年人，这两种骨都 四川大学博士学位论文 具有板层状结构，故称为板层骨。板层骨内的胶原纤维排列规则，如在密质骨 内，胶原纤维环绕血管间隙而呈同心圆排列；在松质骨内，胶原纤维与骨小梁 的纵轴平行排列。长骨两端的骨骺主要由松质骨构成，长骨的中段称为骨干， 呈管状，由密质骨构成管壁。中间的管腔称为骨髓腔 1 6 ，z t 。 在光镜下，骨是由不同排列方式的骨板所构成，骨板由骨膜、外环骨板层， 哈佛系统和内环骨板。骨膜是由致密结缔组织所组成的纤维膜，包被在骨表面， 称骨外膜衬附在骨髓腔面的则称骨内膜。表面的骨板环绕骨干排列称为外 环骨板层，由数层骨板构成，其外和骨外膜紧密相连。靠近骨髓腔面有数层骨 板环绕骨干排列，称为内环骨板层。在内外环骨板层之间是骨干密质骨的主要 部分由许多骨单位所构成。骨单位为厚壁的圆筒状结构，与骨干的长轴呈平 行排列，中央有一条细管称哈佛管。围绕哈佛管有5 2 0 层骨板呈同心圆排列， 宛如层层套入的管鞘。哈佛管与其周围的骨板层共同组成骨单位，亦称作哈佛 系统。 在哈佛氏系统中骨盐晶体紧密而规则地排列在胶原基质中。其结晶方向沿 胶原纤维的长轴取向，晶体的中心晶轴( c 轴) 与胶原纤维的的长轴平行。骨 板中胶原纤维束以一定的方向排列，l o 2 0 层骨板层排列，相邻骨板中的纤维， 成一定角度或相互垂直的方向排列。骨板的层状结构之间有骨胶纤维在骨板与 骨板之间贯穿，以增加层间强韧性，然后以空心圆柱状包合形成哈佛式系统。 使得骨板中的胶原纤维呈螺旋状缠绕。骨单位靠不规则的间骨板粘合在一起， 内接内环骨板和骨髓，外连外环骨板形成骨 1 8 ，l 9 1 。 1 2 骨修复材料研究的必要性 随着人口老龄化，对人体硬组织和器官修复或替代材料的需求持续增长。 以亚洲为例，2 0 0 0 年2 2 亿人口的1 7 已超过5 5 岁，预计2 0 0 5 年老龄人口将 达到2 5 。人体组织、器官均有一定的寿命，人口老龄化对生物医学材料提出 了新的需求。由于现代工业交通、体育事业的发展，中青年创伤增加，创伤已 成为一个社会问题。在我国，创伤住院年增长率高达7 3 ，高居住院人数第二 位。美国1 9 9 8 年用于骨骼一肌肉系统损伤患者的治疗费高达1 2 8 0 亿美元，仅骨 缺损患者就达1 2 3 万，其中8 0 需用生物医学材料治疗。由此可见，生物医学 4 四川大学博士学位论文 材料的临床应用和市场开发潜力巨大【2 0 】。 虽然骨具有再生和自修复能力，但如果对于创伤、感染、肿瘤以及发育异 常等原因使骨丧失了一些骨质而造成的大的骨缺损，在单纯依靠骨的修复无法 愈合的情况下，则需采用外科手术治疗 2 1 2 4 。骨损伤较轻时可使用骨水泥或 骨填充材料促使其加快愈合，而损伤严重时则需对其进行移植手术。目前移植 方式主要有自体骨移植和异体骨移植，虽然自体骨移植l 临床效果令人满意，但 骨原数量有限，且取骨区存在一定的并发症。此外，自体移植需进行两次手术， 给病人带来痛苦。而异体移植虽然不需两次手术，且具有自体骨的一些优越的 组织特点，但异体骨移植容易带来疾病并存在免疫反应等问题，所以其应用受 至0 很大限带4 2 5 ，2 6 】。 为了克服这些局限，人们开始研究人工骨替代材料。生物医学材料学的迅 速发展为治疗骨缺损、制各功能和力学性能满足骨修复要求的新型骨修复材料 提供了光明的前景 2 7 3 0 。 1 3 人工骨修复材料研究的现状和进展 1 , 3 1 金属材料 医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，它以其高强度、耐疲 劳和易加工等优良性能，在临床上占重要地位。在需承受较高货载的骨、牙部 位仍是首选的植入材料。最重要的应有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙 根种植体等。应用较多的金属材料有：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状 记忆合金和磁合金 3 1 】。 大量的临床资料显示，医用不锈钢和钴基合金的腐蚀造成其长期植入的稳 定性差，加之其密度和弹性模量与人体硬组织相距较大，导致力学相容性差。 钛是目前已知的生物亲和性最好的金属之一，但钛及钛合金存在硬度较低，耐 磨性差等缺点，磨损导致氧化膜破坏，磨损的颗粒腐蚀产物进入生物组织，尤 其是t i 6 a 1 4 v 合金中含有毒性的钒可导致植入物的失效。 虽然金属材料是目前应用最多、最广的医用材料，但是，由于金属材料的 生理耐腐蚀和力学相容性差，使得金属材料即使采用多种材料的表面改性技术， 如新型合金的开发、金属材料表面改性、制备多孔金属等，也很难满足现代医 四川大学博士学位论文 学的要求。因此，人们又把目光转向金属与陶瓷、金属与高分子材料的复合。 走多种材料复合的发展道路，综合各种材料的优势，互相取长补短，使其共同 承担生理功能 3 2 ，3 3 1 。 1 3 2 高分子材料 高分子材料在骨修复方面主要用于人工骨骼、人工关节和骨固定等。 第一例医用高分子材料是以聚甲基丙烯酸作头盖骨。1 9 6 3 年出现了第一例 金属骨股头一聚四氟乙烯俄骨臼的人工关节，开始了高分子人工关节的时代。 近年来，人工关节大多是以高分子材料为臼，与高强的不锈钢，陶瓷材料配合 制作而成。 在高分子材料领域，生物可降解高分子材料的研究十分引人注目。由于在 人体骨折固定，骨缺损修复，肌腱修补等方面，迫切需要医用高分子材料除具 有一定的强度，刚度，韧性及生物学相容性外，还必须具有一定的降解性，以 便被生物体吸收或代谢，可免除患者二次手术的痛苦。因此生物可降解高分子 材料的研究越来越引起人们的高度重视。 生物可降解高分子材料可分为天然高分子材料和合成高分子材料。 胶原是研究较多的可降解天然高分子材料，它是哺乳动物组织：皮肤、骨 及软骨、腱及韧带的主要成分。它具有以下特点：1 ) 优良的生物相容性；2 ) 可降解吸收性；3 ) 低抗原性：4 ) 促进组织愈合等。因此广泛用于生物可降解 缝线、人造皮肤、伤口敷料等 3 4 4 1 。尽管对胶原材料的研究很多，但由于其 力学性能和溶胀性的限制、单纯胶原作为骨修复材料的临床应用未见报道。 化学合成的可降解医用高分子材料中研究最多、应用最广的是脂肪聚酯， 尤其是聚羟基乙酸( p g a ) ，聚乳酸( p l a ) ，聚己内酯( p c l ) 及其共聚物。 p l a 用于骨折固定始于6 0 年代，但p l a 植入后其降解可能引起非细菌性炎症 和肿胀等并发症 4 2 】。 生物降解吸收的合成高分子聚合物具有许多优点，但用作骨修复材料的主 要缺点是：口机械强度不足：d x 片上不能显示，不便于临床观察：口部分合成 高分子的降解产物导致非感染性炎症及非特异性异物反应 4 3 1 。 单一高分子材料的力学性能和生物相容性往往难以满足硬组织一骨修复材 6 四川大学博士学位论文 料的要求，因而围绕着：1 ) 提高机械强度，2 ) 控制降解速度，3 ) 改善组织相 容性等方面的研究和开发新型的生物降解高分子复合材料是各研究部门的热门 课题 4 4 4 6 。 1 3 3 生物陶瓷 生物陶瓷是骨修复材料的重要组成部分，在人体硬组织的缺损修复及重建 等方面起作重要的作用。目前，生物陶瓷骨修复材料已广泛用于人工牙、人工 骨、人工关节、骨折固定、人工眼台等 4 7 ，4 8 。 根据在生理环境中发生的生物化学反应，生物陶瓷分为三种类型：近于生 物惰性的陶瓷，如氧化铝陶瓷，生物碳及氧化锆、氧化钛陶瓷等；生物活性陶 瓷，包括羟基磷灰石陶瓷，生物活性玻璃等：可吸收生物陶瓷：如熟石膏、磷 酸三钙等 4 9 ，5 0 。 虽然生物惰性陶瓷作为人工关节材料和口腔修复材料，有较广泛的临床应 用。但由于植入体内后，在植入材料周围形成一层