（材料学专业论文）钛基羟基磷灰石复合涂层的研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 涂层由于具有良好的生物相容性和骨诱导性，被 广泛的研究和应用于临床。近年来，将h a 与其它生物材料复合，从而改善h a 涂层 的性能，满足不同的临床需要，成为生物材料领域的研究热点。目前制备的h a 复合 涂层主要分为h a 有机复合涂层和h a 无机复合涂层。h a 有机复合涂层主要是将 h a 与生物大分子复合以期获得优良生物学性能，例如壳聚糖( c h i t o s a n ，c s ) ，蛋白等。 h a 无机复合涂层主要是将h a 与无机材料，如z r 0 2 ，t i 0 2 等复合，以改善涂层的力 学性能。然而复合涂层不均匀性一直是困扰其走向应用的主要问题。本研究制备了 h a 与壳聚糖( c s ) 、明胶( g e l a t i n ) 、氧化锆( z r 0 2 ) 复合涂层。通过比较脉冲电位和恒电 位，不同脉冲电位，电解液成分对涂层结晶、成分、形貌等影响来优化工艺，然后对 复合涂层进行了生物学和力学性能评价。采用扫描电子显微镜( s e m ) 、x 射线衍射仪 ( x r d ) 、傅立叶红外光谱仪( f t i r ) 、热重分析仪( t g ) 和x 射线光电子能谱仪( x p s ) 等 分析手段，研究了h a 复合涂层的结构组成、形貌和性能。主要内容如下： 采用电化学沉积法在钛金属表面制备出羟基磷灰石壳聚糖( h a c s ) 复合涂层，实 现c s 与h a 在微观尺寸上的复合与杂化。比较了脉冲电位与恒电位模式下复合涂层 的形成，研究了电位高低及壳聚糖浓度对复合涂层性能的影响。结果表明，与恒电位 模式比较，脉冲电位下制备的涂层较均匀、结晶性好、c s 含量高，并且h a 与c s 杂 化程度高。脉冲电位的高低影响涂层的结晶、形貌；脉冲低电位( 1 3v ) 更利于复合涂 层的沉积。电解液中c s 浓度影响复合涂层的形貌及c s 在复合涂层中的含量，电解 液中c s 浓度为o 3 3 l 左右比较适合。抗菌检测表明复合涂层具有良好的抗菌性。 成骨细胞的培养结果表明复合涂层具有良好的生物相容性。 通过原位水热合成和溶胶凝胶浸提涂覆法在碱处理的钛表面制备了h a c s 复合 涂层。接触角检测表明碱处理使钛表面具有超亲水性，这是形成均匀涂层的必要条件。 x 射线衍射分析表明复合涂层成分为h a 和c s ，各组分含量由热重分析确定。扫描 电镜对复合涂层的形貌进行观察并发现不同h a 含量的复合涂层具有不同的形貌。通 过培养成骨细胞考察了复合涂层的细胞相容性。a l a m a rb l u e 检测表明h a c s 复合涂 层表面细胞黏附及增殖能力较好。碱性磷酸酶( a l p ) 检测表明h a c s 复合涂层表面的 细胞分化能力较好。综合研究结果表明该复合涂层有较好的生物相容性。 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i 页 采用电化学沉积法制备磷酸钙明胶( c a p g e l a t i n ) 复合涂层，对其进行表征及性能 测试。讨论了不同脉冲电位、明胶浓度、沉积温度、电解液p h 值等对复合涂层性能 的影响。研究发现脉冲电位下涂层质量优于恒电位。x r d 和f t i r 分析表明复合涂层 的成分为h a 和明胶。s e m 观察发现复合涂层是结构均匀的多孔网状或花瓣状微纳结 构。复合涂层形貌及成分随脉冲电位、明胶浓度等实验条件的变换而变化。低电位利 于复合涂层的结晶和沉积。改变明胶在钙磷电解液中的浓度，发现明胶浓度在o 1 1 0 l 范围内不影响涂层形貌，但影响明胶在复合涂层中的含量。沉积温度为5 0 。c ，电 解液p h 值在明胶等电点以下保证了复合涂层具有较好的结晶性、均匀性。a l a m a rb l u e 检测表明复合涂层具有较好的生物相容性。 采用电化学沉积法在生物医用钛金属表面制备出均匀的h a z r 0 2 复合涂层。通过 热处理提高涂层的致密性，同时保留涂层的微纳结构。考察了热处理后复合涂层的成 分、形貌、生物相容性及稳定性。x 射线衍射分析表明复合涂层成分为h a 和z r 0 2 。 扫描电镜对h a z r 0 2 复合涂层的形貌进行观察并发现热处理后复合涂层的致密性提 高。研究发现z r 0 2 的加入大大降低了h a z r 0 2 复合涂层中钙离子的释放速度，提高 了h a z r 0 2 复合涂层的稳定性。模拟体液( s b f ) 浸泡检测表明h a z r 0 2 复合涂层能够 诱导磷灰石生成，具有较好的生物活性。纳米划痕实验和拉力测试结果表明h a z r 0 2 复合涂层具有较好的结合强度。通过培养成骨细胞考察了复合涂层的生物相容性。 a l a m a rb l u e 检测表明h a z r 0 2 复合涂层表面细胞黏附及增殖能力较好。a l p 检测表 明热处理后h a z r 0 2 复合涂层表面的细胞分化能力较强。综合细胞培养结果表明 h a z r 0 2 复合涂层有较好的生物相容性。 综上所述，本研究成功制备出h a c s ，h a g e l a t i n ，h a z r 0 2 复合涂层，为进一 步研究h a 复合涂层在骨缺损修复中的应用提供依据。 关键词：电化学沉积；羟基磷灰石；复合涂层；生物相容性 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t b i o a c t i v e h y d r o x y l a p a t i t e ( h a ) c o a t i n g s a r e c o m m o n l y u s e dt o i m p r o v e t h e b i o c o m p a t i b i l i t ya n do s t e o i n d u c t i v i t y o ft h et i t a n i u m h ac o a t e dt i t a n i u mh a st h e a d v a n t a g e so fm e t a l sa n dc e r a m i c sa n dh a sb e e nc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s tp r o m i s i n g b o n er e p l a c e m e n tm a t e r i a l s r e c e n t l y ，t h e r ei sat e n d e n c yt od e v e l o ph a c o n t a i n e d c o m p o s i t ec o a t i n g st oo b t a i nn e wt y p eo fc o a t i n g st h a ts a t i s f yt h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n to f c l i n i c a p p l i c a t i o n s o n e t y p e o ft h e c o m p o s i t ec o a t i n g s i st o i n c o r p o r a t e b i o m a c r o m o l e c u l e s ，s u c ha sc h i t o s a n ( c s ) a n dg e l a t i n ，i n t oh ac o a t i n g si no r d e rt o p r o m o t et h eb i o l o g i c a lp e r f o r m a n c eo f t h ec o a t i n g s t h eo t h e ri st oa d di n o r g a n i cm a t e r i a l s ， s u c ha sz r 0 2a n dt i 0 2 ，i n t oh a c o a t i n g si no r d e rt oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o a t i n g s t h eh o m o g e n e i t yo fc o m p o s i t ec o a t i n g si ss t i l lab i gc h a l l e n g e i nt h i ss t u d y , t h r e e t y p e so fc o m p o s i t ec o a t i n g s ，h a c s ，h a g e l t i na n dh a z r 0 2 ，w e r ep r e p a r e da n dt h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a so p t i m i z e d t h em i c r o s t r u c t u r e ，c o m p o s i t i o na n db i o l o g i c a l p e r f o r m a n c eo fc o a t i n gw a se v a l u a t e d t h em a i nf i n d i n g sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s c h i t o s a n ( c s ) i sab i o p o l y m e rt h a th a sg o o db i o c o m p a t i b i l i t y ，a n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e sa n d t h es u i t a b i l i t yf o rc e l lg r o w t h i nt h ep r e s e n ts t u d y , t h ee l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o nm e t h o d w a se m p l o y e dt op r o d u c eh a c sc o m p o s i t ec o a t i n g so nt i t a n i u ms u b s t r a t e s t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tp u l s ev o l t a g em o d ec a ni m p r o v et h ec sc o n t e n ti nt h ec o a t i n g sa n dc a n o b t a i nu n i f o r mc o a t i n g s c o m p a r e d 、析t hc o n s t a n tv o l t a g em o d e p u l s ev o l t a g em o d ea l s o p r o m o t e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc aa n dc sa c c o r d i n gt ox p sa n a l y s i s p u l s ev o l t a g e a f f e c t e dt h em o r p h o l o g yo ft h ec o a t i n g sa n de f f i c i e n c yo ft h ed e p o s i t i o n t h es u i t a b l ep u l s e v o l t a g ei s - 1 3v t h ec o n c e n t r a t i o no fc si nt h ee l e c t r o l y t ea f f e c t e dt h ec sc o n t e n ti nt h e c o a t i n g sa n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ed e p o s i t i o n t h es u i t a b l eo n ei s3 3 1g 1 t h ea n t i b a c t e r i a l t e s ti n d i c a t e dt h a th a c sc o a t i n g sh a dg o o db a c t e r i c i d a la b i l i t y 0 s t e o b l a s t sw e r ec u l t u r e d o nt h ec o a t i n g st oe v a l u a t et h eb i o c o m p a t i b i l i t yo fc o a t i n g sa n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ec o m p o s i t ec o a t i n g sc o u l df a v o rt h ea t t a c h m e n ta n d p r o l i f e r a t i o no fo s t e o b l a s t s h a c sc o m p o s i t ec o a t i n g sw e r ea l s op r e p a r e do nt i t a n i u ms u r f a c e sb yh y d r o - t h e r m a l s y n t h e s i s a n d s o l - g e l m e t h o d t h e c o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r e ，m o r p h o l o g y a n d b i o c o m p a t i b i l i t yo fc o m p o s i t ec o a t i n g sw e r ec h a r a c t e r i z e d a l k a l it r e a t m e n tc o n v e r t e dt i 西南交通大学博士研究生学位论文第页 s u r f a c e si i l t os u p e r h y d r o p h i l i cs u r f a c e s w h i c hw a st h ee s s e n t i a lp r e r e q u i s i t ef o rp r e p a r i n g u n i f o r mh a c sc o m p o s i t ec o a t i n g s x r da n a l y s i sr e v e a l e dt h a tt h ec o a t i n g sw e r e m a i n l yc o m p o s e do fh aa n dc sa n dt h ec o n t e n to fc o m p o s i t i o nw e r ed e t e r m i n e db yt g a n a l y s i s s e mo b s e r v a t i o nf o u n dt h ec o a t i n g sw i t l ld i f f e r e n th ac o n t e n th a dd i f f e r e n t m o r p h o l o g i e s o s t e o b l a s t sw e r ec u l t u r e do nt h ec o a t i n g st oe v a l u a t et h e i rb i o c o m p a t i b i l i t y a l a m a rb l u ea s s a yi n d i c a t e dt h a tc e l l so nt h ec o m p o s i t ec o a t i n g sh a dh i g h e rp r o l i f e r a t i o n r a t et h a nt h o s eo np u r et i t a n i u m a l s ot h ea l pa c t i v i t yo ft h ec e l l so nt h ec o m p o s i t e c o a t i n g sw a sh i g h e rt h a nt h o s eo nt h ep u r et i t a n i u ms a m p l e s t h e s er e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h a ta s - p r e p a r e dh a c sc o m p o s i t ec o a t i n g sh a v eg o o db i o c o m p a t i b i l i t y g e l a t i ni st h ed e n a t u r e df o r mo fc o l l a g e na n di se x p e c t e dt ob eb e n e f i c i a lf o rh a r dt i s s u e a p p l i c a t i o n s t h ec a p g e l a t i nc o m p o s i t ec o a t i n g sc o u l dc o m b i n et h eb i o a c t i v i t ya n d o s t e o c o n d u c t i v i t yo fc a p 、析t ht h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fg e l a t i n i nt h ep r e s e n ts t u d y , t h e p u l s e de l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o nm e t h o dw a se m p l o y e dt od e p o s i tc a p g e l a t i nc o m p o s i t e c o a t i n g so nt i t a n i u ms u b s t r a t e s t h em a i np u r p o s eo ft h es t u d yi st oo p t i m i z et h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r so ft h ec o m p o s i t ec o a t i n g e l e c t r o l y t ew a st h em i x t u r eo ft h ec a - pa n dg e l a t i n a q u e o u ss o l u t i o nw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s e m ，x r da n df t i rw e r e u s e dt o c h a r a c t e r i z et h ec o m p o s i t i o na n dm o r p h o l o g yo ft h ec o a t i n g t h ec o a t i n g sp r e p a r e du n d e r c o n s t a n tv o l t a g ea n dp u l s ev o l t a g ee l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o nw e r ec o m p a r e d i tw a s f o u n dt h a tt h ep u l s ev o l t a g em o d ew a sm o r es u i t a b l ef o rp r e p a r i n gc a p g e l a t i nc o a t i n g s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo p t i m i z e de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r e ：p u l s ev o l t a g er a n g e ， 0 - 1 3v ；t h ec o n c e n t r a t i o no fc a 2 + ，5 0 x10 4m o l 1 ；g e l a t i ns o l u t i o n ，0 5g l ；p hv a l u e ，5 0 ； t e m p e r a t u r e ，5 0 c o s t e o b l a s t s w e r ec u l t u r e do nt h e c o a t i n g s t oe v a l u a t et h e b i o c o m p a t i b i l i t yo ft h ec o a t i n g s a l a m a rb l u ea s s a yi n d i c a t e dt h a tt h ec o m p o s i t ec o a t i n g s c o u l df a v o rt h ep r o l i f e r a t i o no ft h eo s t e o b l a s t s i nr e c e n ty e a r s ，h a z r 0 2c o m p o s i t ec o a t i n g sh a v ea t t r a c t e de x t e n s i v er e s e a r c ha t t e n t i o n b e c a u s et h e yc o u l dc o m b i n eu n i q u eb i o c o m p a t i b i l i t ya n db i o a c t i v i t yo fh ac e r a m i c sw i t h e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fz r 0 2 i nt h i ss t u d y , d e n s ea n du n i f o r mh a z r 0 2 c o m p o s i t ec o a t i n g sw a sf a b r i c a t e do nt i t a n i u m s u b s t r a t e sb yp u l s e de l e c t r o c h e m i c a l d e p o s i t i o n t h ec o m p o s i t i o n ，m o r p h o l o g i e s ，b i o c o m p a t i b i l i t ya n dp h y s i o l o g i c a ls t a b i l i t yo f t h ec o m p o s i t ec o a t i n g sw e r es t u d i e d x r a yd i f f r a c t i o ns h o w e dt h a to c pi nt h ec o a t i n g 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 w a sc o n v e n e di n t oh aa n dt h ec o a t i n gw a sc o m p o s e do fh aa n dz r 0 2a f t e rh e a tt r e a t m e n t s s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yi n d i c a t e dt h a tz r 0 2w a su n i f o r m l yd i s t r i b u t e di nt h ec o a t i n g s a n dt h ec o a t i n g sb e c a m ed e n s ea f t e rh e a tt r e a t m e n t s s i m u l a t e db o d yf l u i di m m e r s i o nt e s t p r o v e dt h a tt h ea s - p r e p a r e dc o m p o s i t ec o a t i n g sh a dg o o db i o a c t i v i t yt o i n d u c ec a l c i u m p h o s p h a t ef o r m a t i o nu n d e rs i m u l a t e dp h y s i o l o g i c a l e n v i r o n m e n t a t o m i c a b s o r p t i o n s p e c t r o m e t r ya n a l y s i sw a s u s e dt om e a s u r ec ai o nr e l e a s er a t eo ft h ec o a t i n g si m m e r s e di n p b s i tw a sf o u n dt h a tt h er e l e a s er a t eo fc ai o no fh a z r 0 2w a sl o w e rt h a nt h a to fp u r e h ac o a t i n g s n a n o s c r a t c h i n gt e s t sa n dt e n s i l et e s t sr e v e a l e dt h a th a z r 0 2c o a t i n g sh a d b e r e ri n t e r r a c i a lb o n d i n gs t r e n g t ht h a nt h a to fp u r eh a c o a t i n g s o s t e o b l a s t sw e r ec u l t u r e d o nt h ec o a t i n g st oe v a l u a t et h eb i o c o m p a t i b i l i t yo fc o a t i n g s t h er e s u l t so ft h ea l a m a rb l u e a n da l pt e s ti n d i c a t e dt h a tt h ec o m p o s i t ec o a t i n g sc o u l df a v o rt h ep r o l i f e r a t i o na n d d i f f e r e n t i a t i o no ft h eo s t e o b l a s t s ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h e a s - p r e p a r e dh a z r 0 2 n a n o c o m p o s i t ec o a t i n g sh a dg o o db i o c o m p a t i b i l i t y i ns u m m a r y , t h r e et y p e so fh a c o n t a i n e dc o m p o s i t ec o a t i n g s ，h a c s ，h a g e l t i na n dh a z f 0 2 ，h a v eb e e ns u c c e s s f u l l yp r o d u c e do nt i t a n i u ms u b s t r a t e s t h er e s u l t so fp r e s e n ts t u d y p r o v i d e dv a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c hi nd e v e l o p i n gc o m p o s i t ec o a t i n g sf o r b i o m e d i c a l a p p l i c a t i o n s k e y w o r d ：e l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o n ；h y d r o x y l a p a t i t e ；c o m p o s i t ec o a t i n g ； b i o c o m p a t i b i l i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权_ 西南交通大学可以将本论 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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保“使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 弓定瞧 指导老师签名： 日期：埘矽多影 j 唯 日期：，d 石? 西南交通大学博士学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所取得的 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 撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 采用电化学原位共沉积法制备h a c s 复合涂层，较系统的研究了电沉积工艺对 h a c s 复合涂层结构组成、表面形貌等的影响，优化了制备工艺。亦通过原位水热合 成和溶胶一凝胶浸提涂覆法在碱处理的钛表面制备了h a c s 复合涂层。获得的h a c s 复合涂层具有良好的抗菌性、生物相容性和力学性能。( 论文第二章) ( 2 ) 采用电化学原位共沉积法制备了h a g e l a t i n 复合涂层。较系统研究了制备工艺 对复合涂层结构组成、表面形貌等的影响。获得的复合涂层结晶好、结构均匀，且具 有良好的生物相容性。( 论文第三章) ( 3 ) 采用电化学原位共沉积法制备了h a z 峨复合涂层。锆是以离子的形式存在于 电解液中，实现原位复合，获得的复合涂层结构均匀、致密。该复合涂层具有良好力 学性能、生物相容性和稳定性。( 论文第四章) 学位论文作者签名： 矽妇) 复 日期：矽扩多一影 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 生物材料及其发展现状 生物医用材料( 又称生物材料) 是用于诊断、治疗修复或替换人体组织、器官或增进 其功能的新型高技术材料。生物医用材料不是药物，其功能的实现不必通过人体新陈 代谢或免疫反应，但可和药物药理作用相结合【1 】。 生物材料涉及医用高分子、医用金属和合金、医用生物陶瓷、复合材料、天然生物 材料等，其制品既包括量大面广的基础医疗器械，如一次性使用的输液即注射器具、 一般性外科手术器具以及药棉、绷带、纱布等卫生用品，也包括技术含量较高、附加 值高的直接植入人体或生物系统结合使用的材料及其终端产品，如人造血管、人工心 脏瓣膜、心脏起搏器、骨修复和替换材料及器械、人工器官、牙科材料、药物控释系 统等，以及临床疾病诊断材判2 1 。 生物材料涉及材料、医学、物理、生物化学及现代高技术等诸多学科领域。它是当 代科学技术中涉及学科最为广泛的多学科交叉领域之一，不仅是构成现代医学基础的 生物医学工程和生物技术的重要基础，而且对材料科学、信息科学及生命科学等相关 学科的发展有重要的促进作用。因此，生物材料的发展综合体现了材料学、生物学、 医学等多个领域科学与工程技术的水平。 随着社会文明的进步、经济的发展以及生活水平的提高，人们越来越关注自身的健 康。与此同时，社会人口剧增，交通工具大量涌现，疾病、自然灾害、交通事故、运 动创伤等的频繁发生以及局部战争等，造成人们意外伤害剧增。据美国人口普查局预 测：到2 0 1 2 年世界人口将达7 0 亿。面对巨大人口市场，生物材料的研发存在巨大的 潜在经济效益。 1 1 1 生物材料的分类 按材料组成和性质分为以下四大类【1 】：( 一) 高分子生物材料是研究最活跃的领域， 包括：合成高分子材料( 聚氨醋、聚醋、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他 医用合成塑料和橡胶等) 和天然高分子材料( 如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等) ，但 仍处于经验和半经验阶段，多数品种仍停留在实验室阶段。( 二) 金属生物材料是发展相 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 对比较缓慢，包括钛金属及其合金等，但由于金属材料优越的力学性能，目前仍是临 床上应用最广泛的承重植入材料。医用钛和钛合金的研究与开发是目前的一个热点研 究方向。( 三) 无机生物材料是越来越受到重视，具有生物相容性好、耐腐蚀等优点，尤 其是具有生物活性的磷酸钙系无机材料是研究的热点。( 四) 复合材料，包括：碳纤维 聚合物、玻璃纤维聚合物等。金属、陶瓷、高分子及其复合材料是应用最广的生物医 用材料。 1 1 2 生物相容性 生物相容性是生物材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反 应的一种概念。植入人体内的生物材料及各种人工器官、医用辅助装置等医疗器械， 必须对人体无毒、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性，对人体组织、血液、 免疫等系统不产生不良反应。因此，生物相容性优劣是生物材料研究设计中首先考虑 的问题【1 1 。 生物材料性能的好坏，不仅影响生物材料所替代的某一组织器官的功能，甚至直 接关系到机体生命的延续。生物材料的生物相容性与材料成分和结构有关，因此在生 物材料的制备过程中，必须严格控制材料的配方组成，成型加工的工艺条件和环境因 素等，做到细心地提纯与合成，只有这样，才能得到符合“医用级”标准的生物材料。 1 2 骨修复材料 1 2 1 骨的结构 人体骨结构很奇特，呈分布均匀的多孔结构，力学性能很好，因此了解骨的结构 对于骨修复材料的微观结构设计具有极其重要的意义。骨是构成骨骼的器官，它是由 骨组织、骨膜及骨髓构成。骨组织是坚硬而有一定韧性的结缔组织，由大量钙化的细 胞间质及数种细胞组成。骨基质由有机质和无机质构成。有机质由成骨细胞分泌形成， 包括大量胶原纤维( 占有机成分的9 5 ) 及少量无定形基质。无定形基质内含中性或弱 碱性糖胺多糖，还含有骨钙蛋白和骨磷蛋白等。无机质又称骨盐，主要为羟基磷灰石 ( h a ) 结晶体，属不溶性中性盐，沿胶原原纤维长轴规则排列并与之结合。但有机质和 无机质二者比例随着年龄而变化1 3 j 。 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 器蚕扩鲰l e g 鞴e m fiberj离hydroxyapa 咖 翱 l ，黪铆删“艟 譬| 妇吲嘲删对 表1 - 1 人体骨的机械性质【7 】 在骨基质中，骨胶原纤维( i 型胶原蛋白) 直径在1 0 0 2 0 0 0n l t l 之间，纤维与纤维之 间存在两种排列方向，同一骨板内的纤维相互平行，相邻骨板的纤维则相互垂直。胶 原纤维的网状同轴结构体( 胶原纤维束) 在骨中的排列大致类似胶原纤维之间的排布，如 此构成骨基质的基本结构f 4 j 。从骨的结构分析来看，可以分为两个不同结构层次的复合： h a 增强胶原纤维构成3 7p m 的同轴层环状结构和在p m m m 尺度上骨小管增强间隙 骨。骨盐主要以针状结晶h a 和无定形磷酸钙的形式沉积于胶原基质上1 5 】。骨的h a 结 晶体呈柱状或针状，长1 0 2 0n n l ，宽3 6n l t l ，主要由钙、磷酸根和羟基结合而成。它 的结晶方向沿胶原纤维的长轴分布，晶体的中心晶轴( c 轴) 与胶原纤维的长轴平行。无 机质与胶原相结合，构成了骨盐的框架结构。图1 1 给出了人体长骨在不同层次下的 组织结构【6 1 。人体骨通过非常复杂的方式巧妙地将有机的骨基质结构与无机的骨盐框架 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 结构互相紧密地结合起来，在人体中实现生物和力学上要求。因此，人体骨可以看成 一种天然无机物高聚物聚合材料，其力学性能见表1 1 所示【_ 7 1 。 骨胶原纤维的抗压性和弹性较差，而羟基磷灰石结晶体很脆，但二者结合在一起 则具有理想的结构强度。从分布在胶原纤维表面的羟基磷厌石微晶来看，可认为骨是 一种无机相增强高分子聚合物材料；而从羟基磷灰石的框架结构来看，却可认为骨是 一种高分子聚合物增韧的羟基磷灰石基复合材料；如强调胶原纤维束的自强化作用， 则骨又可认为是一种纤维自增强的复合材料。正是无机骨矿物质和有机胶原纤维组成 的多相结构，使得人骨具有较高的机械强度和韧性以抵抗冲击和承载【。7 1 。 骨独特的结构和成分为科研人员在设计骨修复材料的结构提供了非常重要的启发 和思路，促进了骨修复材料研究和发展。迄今为止，用于骨修复和替换的材料仍然首 推金属与合金，其次是生物陶瓷、聚合物、复合材料及人和动物骨骼衍生物等。在骨 和关节系统复杂的应力条件下，不仅要求修复材料无毒副作用、有生物安全性，而且 必须有足够的力学强度并能与原骨牢固地结合。 1 2 2 钛及及其合金 钛和钛合金因具有低密度、低模量、高强度、优异的生物相容性和耐腐蚀性等特 点而在生物材料领域获得越来越广泛的应用，主要用于人工膝关节、髋关节、齿科植 入体等。 钛优异的生物相容性与其表面的t i 0 2 有关。t i 0 2 的等电点对钛在生物体内的行为 也有很大的影响。有文献报道，t i 0 2 的等电位点大约为6 2 【8 1 ，稍低于生理环境的p h 值7 4 ，这表明在生理环境下，钛表面会带微弱的负电荷。大量的体外及体内研究表明 这种带有负电荷的表面对于种植体与周围活体骨之间产生骨性结合有密切关系【9 】。 种植体与骨组织的生物相容性与力学相容性的程度都集中反映在种植体与骨组织 间的界面结合和周围组织对种植体的反应上。钛和钛合金的结构和性质与骨组织相差 很大，是生物惰性材料，通常不能像生物活性材料那样与骨组织发生化学键性结合， 在钛、钛合金和活体组织界面处会形成纤维组织隔层，使植入体发生松动，需要二次 手术，增加病人痛苦。因此，用钛和钛合金作为骨的修复替换材料，要解决其长期固 定问题。 固定问题研究主要集中在二种固定方式【1 ，1 0 】，一种是生物固定，另一种是化学键合， 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 也称为骨性结合。所谓生物固定是把钛金属表面处理成粗糙多孔，使新骨长入多孔金 属表面的孔隙实现固定。在生物固定方式中，由于骨组织长入孔隙内使骨和植入体的 界面积大大增加，加上骨和多孔表面的机械嵌锁作用，植入体和骨界面结合强度大大 增加。其问题在于孔隙是应力屏蔽区，缺乏必要的应力刺激作用，而钛又没有生物活 性，不具有骨引导能力，所以新骨难以长入孔隙内制1 1 。 如果对钛表面进行生物活化处理，使表层具有骨引导功能，就可以使骨组织长满 孔隙，实现骨性键合。这样骨与植入体不仅有机械锁合作用，还有生物固定作用和化 学键合作用，大大提高结合强度。表面生物活化处理的主要方式是在钛和钛合金表面 涂覆一层具有生物活性的陶瓷涂层，如羟基磷灰石涂层及其复合涂层，耐磨性复合涂 层、抗菌性复合涂层等，以满足临床上的不同需求。 1 2 2 羟基磷灰石 羟基磷灰石( c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 是最常见的一种生物活性陶瓷 材料，它与其他生物材料的显著不同之处在于它具有与人体骨组织相似的无机成分， 含有人体组织所必需的钙和磷元素，且不含其他有害元素。植入体内后在体液的作用 下，钙和磷会游离出材料表面，被机体组织吸收，并能与人体骨骼组织形成化学键合 生长出新的组织1 1 1 】。因此，h a 陶瓷是目前公认的具有良好生物相容性和生物活性的陶 瓷材料。羟基磷灰石在骨质中大约占6 0 ，牙本质中约占7 0 ，牙釉质中约占9 0 【12 1 。 h a 晶体为六方晶系，这种结构使得h a 晶粒一般以六方柱的晶型出现。它的密度为 3 1 5 6g c m 3 ，摩尔质量为1 0 0 4 6 4g m o l ；溶度积k s p 为1 0 6 7 ，5 或3 1 6 1 0 螂；热膨胀系 数为1 5 0 x 1 0 。6 k 。1 【13 1 。 目前在h a 陶瓷的研究方面虽然己取得了很大的进展。在医学方面，h a 颗粒材 料己用于骨缺损修复和口腔外科；h a 陶瓷作为人工牙齿植入后，生物相容性好，安全 无毒；在骨科临床应用中，能与骨组织形成牢固结合，取得了非常成功的效果。然而 单一组分的h a 粉末烧结性能较差，强度较低而韧性较差，分别为5 0 1 5 0 m p a 和 1 0 。1 2 m p a 1 t i 抛【9 j 。力学性能的不足使其难以承受负载或冲击力，这大大限制了它作 为人体植入材料的使用。 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼笪鼍曼曼曼皇曼曼曼曼曼蔓曼曼i 皇! 曼曼曼曼曼鼍曼曼曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼