（材料物理与化学专业论文）骨替代用纳米羟基磷灰石聚酰胺66复合材料研究.pdf

摘要 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 由于其优良的生物相容性、生物活性及骨 传导性而广泛应用于生物材料。但由于其脆性大，与自然骨的力学性能不柏匹配，从而 大大限制了其承重应用。为了在保持羟基磷灰石生物活性的同时提高其力学性能，人们 制备了一系列羟摹磷灰石与高聚物的复合材料来满足硬组织修复材料的要求。 本文开发了一种新的制备纳米羟基磷灰石聚酰胺6 6 复合材料的方法。先用明胶包 覆n - h a 棒状颗粒，然后将其制备成以m 肛二甲基乙酰胺和甘油的混合液为溶剂的稳定 溶胶，再与p a 6 6 溶液共混，原位制备了n - h a p a 6 6 复合材料。采用s e m 、x r d 、i r 等多种方法对复合材料进行了表征，结果表明： 1 、明胶对羟基磷灰石纳米颗粒有明显的化学包覆作用，明胶与聚酰胺6 6 间相同的酰胺 基团保证了二者良好的相容性，实现了界面间的键性结合，断面可见羟基磷灰石颗 粒与基体紧密结合。另外，基于n - h a 溶胶制备复合材料有利于羟基磷灰石颗粒在聚 酰胺基体中均匀分散。复合物中羟基磷灰石颗粒长为5 0 1 0 0n n l ，直径为2 5 3 0m ， 其c a p 为1 6 5 ，与理论值接近。 2 、随着羟基磷灰石含量的增加，复合材料的弯曲强度有不同程度的增加，而拉伸强度 有所下降。经比较，5 n - h a p a 6 6 复合材料适于骨替代。 3 、模拟体液浸泡实验结果表明在复合材料表面沉积的为弱结晶的含碳酸根的羟基磷灰 石球状晶体。随着浸泡时问的增加，其尺寸和结晶度都在逐渐增加。 4 、p a 6 6 和n - h a p a 6 6 复合材料对成骨细胞均不显示毒性，但n - h a p a 6 6 复合材料周 围细胞形态、生长密度和贴壁伸展情况明显优于对照组p a 6 6 试样，细胞生长曲线显 示出二者对细胞增殖的影响有所差异。 关键词：纳米羟基磷灰石非水溶胶聚酰胺6 6 力学性能生物活性 a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) i sw i d e l yu s e di n f i e l do fb i o m a t e r i a l sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n t b i o c o m p a t i b i l i t ya n do s t e o c o n d u c t i v i t y , b u tt h eb r i t t l e n e s sa n dh i g hm o d u l u so fh al i m i ti t s l o a d - b e a r i n ga p p l i c a t i o n i no r d e rt om a i n t a i nt h eb i o l o g i c a la c t i v i t yo fh y d r o x y a p a t i t ea n d i m p r o v ei t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，as e r i e so fh y d r o x y a p a t i t e p o l y m e rc o m p o s i t e sw e r e s y n t h e s i z e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f h a r dt i s s u er e p a i r t l 血w o r kd e v e l o p e dan e wp r o c e s sf o r p r e p a r i n gh a p o l y a m i d e 6 6 ( p a 6 6 ) n a n o c o m p o s i t e t l l eh a n a n o r o d sw e r ec o a t e db yg e l a t i nf i r s t a n dt h e nd i s s o l v e dt h e mi nt h e s o l v e n tm i x e dg l y c e r o la n dm n - d i m e t h y l a c e t a m i d e as t a b l es o lo fn h aw a sc o n s e q u e n t l y p r e p a r e d , t h e nr e a c t e dw i t hp a 6 6t op r e p a r en - h a p a 6 6n a n o c o m p o s i t e o u rm a i n l y a c c o m p l i s h m e n t sa r ea sf o l l o w s ： l 、g e l a t i np l a y e das i g n i f i c a n tr o l ei nc o a t i n go nt h ep a r t i c l e ss u r f a c e b e c a u s et h e g e l a t i nc o a t e do nt h es u r f a c eo fn - h ac o n t a i n sa m i d eg r o u p st oh et h es a m ea sp a 6 6 ，t h e y h a dg o o dc o m p a t i b i l i t yi nt h em i x t u r eo fh as o la n dp a 6 6s o l u t i o n , t h u sf o r m e dac h e m i c a l b o n da to r g a n i c - i n o r g a n i ci n t e r f a c e n - h ap a r t i c l e sc o m b i n e dw i t hp a 6 6m a t r i xc l o s e l ya n d n oc r a c ko rp o r ei nt h ec r o s ss e c t i o n w h a t sm o r e ，n - h as o lw a sb e n e f i c i a lt ot h ew e l l d i s t r i b u t i o no fn a n o - h y d r o x y a p a t i t ei nt h ep a 6 6m a t r i x t h eh ap a r t i c l e si nt h e n a n o c o m p o s i t eh a dal e n g t ho f5 0 10 0 n m , a n dad i a m e t e ro f2 5 - 3 0 n m , w i t hac a r pr a t i oo f 1 6 5 ，w h i c hi sc l o s e t ot h es t o i c h i o m e t r i cr a t i oo f h a ( 1 6 7 ) 2 、w i t ht h ei n c r e a s i n go fh ac o n t e n t ，t h eb e n d i n gs t r e n g t ho fn a n o c o m p o s i t ei n c r e a s e d ， w h i l et h et e n s i l es t r e n g t hd e c r e a s e d a n d5 n h a p a 6 6n a n o c o m p o s i t ew a ss u i t a b l ef o r b o n es u b s t i t u t em a t e r i a l 3 、a r e rs o a k i n gi nas i m u l a t e db o d yf l u i d ( s b f ) ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts p h e r i c a la p a t i t e w i t hw e a kc r y s t a l l i n i t yf o r m e do nt h e i rs u r f a c e 、i t hi m m e r s i o nt i m ep r o l o n g e d t h e i rs i z e a n dc r y s t a l l i n i t yi n c r e a s e d c o m b i n e dt h ef o u r i e rt r a n s f o r mi n f i a r e ds p e c t r o s c o p y ( f r i r ) r e s u l t ，i tw a sf o u n dt h a tt h eh ac r y s t a l sw e r ep a r t i a l l ys u b s t i t u t e dw i t hc a r b o n a t e ，n a m e l y b o n e l i k ea p a t i t e ，w h i c hp l a y e dav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h er e g e n e r a t i o no fb o n e 4 、n oc y t o t o x i c i t yw a so b s e r v e dw h i l eo s t e o b l a s t sw e r ec u l t u r e do np a 6 6a n d n - h a p a 6 6n a n o c o m p o s i t e w h e r e a st h em o r p h o l o g ya n dd e n s i t yo fc e l l sn e a rn - h a p a 6 6 n a n o c o m p o s i t ew e r eb e t t e rt h a nt h o s en e a rt h ep a 6 6 ，a n dt h ec e l l sg r e wa n ds t r e t c h e dv e r y w e l la r o u n dt h en a n o c o m p o s i t e t h e r ew a sad i f f e r e n ti n f l u e n c eo no s t e o b l a s t sb e t w e e nt h e n - h a p a 6 6a n dp a 6 6s a m p l e s 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 ，n o n - a q u e o u ss o l , p o l y a m i d e6 6 ，m e c h a n i c a l p r o p e r t y ，b i o l o g i c a la c t i v i t y 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，也不包含为获得天津理工大学或 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：孑移卓臻签字日期：沙夕年，) 月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡墨太堂 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本和电子 文件。 ( 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：彩亲瘵导师签名： 签字日期：沙亨年，月f 7 日 节够 签字日期：l 阡l2 ，月c 二 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 1 1 引言 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 骨是一种天然的具有复杂分级结构的无机物与有机物的复合材料f l d 。骨损伤和骨 缺损是很常见的病症，自体骨或异体骨是当前骨修复采用的主要材料之一。自体骨易被 患者接受，但需要患者接受二次手术，带来别的损伤，且数量有限；异体骨取材简便， 但是在生物安全性上存在着隐患，患者可能对其产生免疫排斥，并且可能因外源骨材料 植入而感染上某种己知或未知的病毒1 3 5 】。所以，临床上越来越广泛地采用人工制备的 材料作为骨修复材料。 硬组织修复材料是生物医用材料中发展最早最成熟的一个领域，其研究及开发是当 前生物材料中全球关注的课题，是生物材料中非常活跃的方向。硬组织修复的主要内容 是对损伤骨组织的修复。 一般而言，合理的骨修复材料应具有良好的生物相容性和生物活性，可以在材料与 自然骨之间形成骨键合，即形成化学键，以及与自然骨的力学性能相匹配( 力学相容性) 。 材料与骨形成键合，可以避免体内纤维包裹；力学性能相匹配，可避免材料因力学性能 太高造成应力集中，从而引起骨吸收，或避免材料力学性能太低，没有起到承力作用而 不能促进新骨形成。 1 2 骨修复材料的研究现状 从材料的化学组分划分来看，普遍认为骨修复材料分为四种：医用金属材料，医用 陶瓷材料，医用高分子材料和医用复合材料。 1 2 1 医用金属材料 金属材料是最早被采用的生物材料。从最初的贵金属，如金，银，铂等，到现在的 各种合金，因为其具有较高的强度和韧性，在骨替代修复方面有较长的应用历史。目前 常用的骨修复金属材料有不锈钢，钴基合金和钛基合剑6 。 不锈钢易于加工，价格低廉，且不易腐蚀。在临床上常被用做人工关节材料，但由 于与肌体经常性的摩擦引起磨损，易于造成假体松动，目前关节置换中已经较少使用不 锈钢材料。而作为骨折内固定材料，在体内可能释放出n i 2 + 、c ，和c ，等有害离子， 且需要二次手术。 钴基合金的耐磨性是所有金属中较为出色的，但由于钴铬合金对成骨细胞有一定的 抑制作用，因此更多的应用于齿科。钛和钛合金的弹性模量低，比强度高，与人骨最为 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 接近，已用于制作人工关节、骨和义齿等，同时钛合金也存在一些缺陷，如有毒元素扩 散、腐蚀失效等。目前许多科研单位正致力于改善这些缺陷的工作。钛基中加入钒、铝 的合金是近几年最引人注目的金属植入物，但，钒进入人体能引起慢性炎症，铝离子与 无机磷结合，使体内磷缺乏，将诱发老年痴呆症。因此，人们将眼光转向生物适应性优 良的错、锡等合金化元素，以取代钒、铝金属；结果发现，生物亲和性显著提高，耐磨 性等机械性能也有较大改善。另外在钛及合金表面注入氮离子，使其表面生成氮化钛陶 瓷涂层，可大大提高耐磨、耐蚀性能。 尽管医用金属具有一定的生物相容性，但本身缺乏生物活性，因此难以与周围的骨 形成良好的骨键和，甚至在材料周围形成纤维包裹层。目前可以通过对金属表面改性的 方法来解决这个问题，比如采用表面等离子喷涂等方法制备羟基磷灰石陶瓷涂层，使金 属表面具有生物活性。 1 2 2 医用生物陶瓷材料 生物陶瓷化学性质稳定，具有良好的组织相容性，根据生物陶瓷在人体内的反应情 况。可将它分为两类：生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷。 生物惰性陶瓷是指化学稳定性好，无毒性，但在其周围将形成不同厚度的纤维组织 包裹层。这层纤维膜与种植体之间不是紧密结合，容易发生微小滑动，甚至松动断裂。 最早应用于临床的生物惰性陶瓷是舢2 0 3 ，具有良好的力学性能，但由于其弹性模量与 自然骨不相容，因此容易因应力集中而导致脆性断裂或者导致植入部位的骨吸收。另外 还有z r 0 2 ，玻璃陶瓷，s i 3 n 4 陶瓷等，主要用来做人工关节，人工脏器等，目前还不能 做承重材料1 1 2 】。 为了避免生物惰性材料植入体内引起排斥作用，影响植入效果，人们慢慢发展了生 物活性陶瓷。生物活性的概念是指植入体与机体组织之间不会形成纤维包裹，不被机体 排斥，而是与宿主组织形成化学键和i l 引。它们的特征是：材料含有人体正常新陈代谢所 需要的元素，如钙、磷等。此类材料能在生理环境中逐步被降解和吸收，或与机体组织 之间形成稳定化学键合，从而在种植体与机体组织之间形成紧密的化学结合层，这种结 合层能够阻止种植体在体液中的腐蚀，提高种植体的使用寿命。常见的生物活性陶瓷有 h a ，a t c p 以及p - t c p 等，并已广泛用于临床【1 4 彩j 。自然骨的无机成分主要是h a ，从 而人们现在更多地使用人工合成的h a 用作骨修复材料，这是由于它的成分性质与自然 骨中h a 极为相似，而且具有良好的生物相容性和骨诱导性。h a 植入体内后，在体液 的作用下，材料表面会游离出c e + 和p 0 4 3 + ，并被人体组织吸收、利用，促进骨组织的 修复与重建，同时在骨组织和植入体间形成化学键，具有较高的界面强度。 可降解生物陶瓷的降解速度还受宿主个体差异，植入部位变化等因素影响，与骨形 成速度难达到一致，因此，要制备一种能实现生物降解、吸收与新骨替换同步进行的可 降解生物陶瓷是相当困难的。 1 2 3 医用高分子材料 高聚物曾被广泛用作骨修复材料，用于硬组织修复的高分子材料可分为人工合成聚 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 合物和天然高分子材料两类。天然高分子聚合物包括胶原( c o l l a g e n ) 、纤维蛋白( f i b r i n ) 、 几丁质( c h i t i n ) 和藻酸盐( a l g i n a t e ) 等。这些天然高分子的生物相容性好，利于细胞黏附， 增殖和分化。但也存在共同的缺点，比如缺乏机械强度、不易大量获取等。胶原还存在 生理学性质不稳定和外来胶原引起的免疫反应等问题。因此难以单独作为骨硬组织的修 复材料。 人工高聚物可分为可降解聚合物和不可降解聚合物。不可降解的聚合物有聚乙烯和 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 等，一般不单独使用。在临床使用中，p m m a 聚合期间会导 致局部温度较高杀死细胞，在体液中也会释放毒气。可降解聚合物主要有聚乳酸( p l a ) 、 聚乙醇酸( p g a ) 和聚丙交酯等，得到了广泛的应用，可用于口腔外科，可吸收螺钉用于 骨固定以及用于骨填充等。但在使用过程中也有一些问题，诸如生物相容性差，由疏水 性而导致细胞难附着，使用过程中易老化，降解速度难于控制等1 2 4 - 2 8 1 。 1 2 4 医用复合材料 随着现代医学水平的发展，人们发现传统的金属及其合金材料，生物陶瓷及高分子 等己不能满足临床上对骨修复材料生物力学及生物活性的要求，发展兼具优良力学相容 性及生物活性的复合材料己经成为必然趋势。利用不同性质的材料复合而成的生物医用 复合材料，不仅兼具组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的新性能，为获 得结构和性质类似于人体组织的生物医学材料开辟了一条广阔的途径。 生物医学复合材料主要分为三类：有机有机复合，金属无机复合，有机无机复合。 目前研究来说，有机无机复合是应用研究最为广泛和深入的一类，主要作骨修复或骨固 定材料来使用。h a 由于自身优良的生物相容性和生物活性，一般被选做无机相。h a 有机骨替代生物复合材料可分为：h a 与天然生物材料复合、h a 与人工高分子材料复 合与纳米h a 与多种材料的复合三大类。 1 2 4 1h a 与天然生物材料复合 天然生物材料主要指从动物组织中提取的，经过特殊化学处理的具有某些活性或特 殊性能的物质，目前在复合材料中采用的有纤维素、壳聚糖、几丁质、蚕丝蛋白、胶原、 明胶等2 9 4 3 1 。 复合骨替代材料中应用较多的是i 类胶原，天然复合材料中的胶原一般通过酸溶法 或酶解法来获得。k i k u c h i 等【4 3 j 以戊二醛为交联剂，采用共滴定法得到纳米羟基磷灰石 胶原复合材料，在修复兔胫骨节段缺损中，有大量新骨形成。经切片染色显示骨组织直 接与材料间实现键性结合，无毒性及炎性反应。实验表明，随着戊二醛浓度的增加，材 料吸收率下降。戊二醛交联控制着材料的力学性能和吸收率，但对复合材料的生物相容 性无影响。冯庆玲等【4 4 】将纳米羟基磷灰石胶原复合材料植入兔骨髓腔中后发现：植入 体的界面层可发生溶解沉积的动态快速更新过程，巨噬细胞可在种植体表面或深入种 植体内通过吞噬和胞外降解吸收种植体材料，种植体表面及内部被吸收后伴随有新骨的 沉积，种植体与骨组织可形成化学键合。c v m r o d r i g u e s 掣4 5 j 制备的纳米羟基磷灰石 胶原复合材料用于组织工程中支架材料，综合了骨胶原的诱导性和h a 的生物活性及骨 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 传导性。但用于制备纳米羟基磷灰石胶原复合材料的i 型胶原由于其成本及商业来源有 限，使得其工艺控制变得困难起来。用其他天然高分子替代i 型胶原也是目前研究的热 点。t o s h i m i t s ut a n a k a 等【4 6 】在2 0 0 6 年撰文说由羟基磷灰石和蚕丝蛋白合成的材料具有 良好的细胞吸附能力，能较好的支持细胞的分化，是一种新型的适用于临床应用的材料。 迄今为止已有一系列实验证明h a 与天然生物材料复合物的生物相容性及生物活性良 好，并讨论过使用交联1 4 7 - 5 0 j 等方法以提高材料的强度，但实际证明，其力学性能不足， 难以承受负荷和冲击力，不能做承重骨的替代，大大限制了其作为人体材料种植体的使 用。 1 2 4 2h a 与人工高分子材料复合 在这一类复合材料中，高分子聚合物分为两类，一类为生物惰性材料，如聚甲基丙 烯酸甲酯( p m m a ，p o l y ( m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) ) 、聚乙烯( p e ，p o l y e t h y l e n e ) 、聚丙烯( p p ， p o l y p r o p y l e n e ) 等；另一类是生物可降解吸收材料，如聚乳酸( p l a p o l y l a c t i ca c i d ) 、聚羟 基乙酸( p g a ，p o l y g l y c o l i ca c i d ) 及它们的共聚物 p l g a ，p o l y ( 1 a c t i c g l y c o l i ca c i d ) 、聚乙烯 醇( p v a ，p o l y v i y l a l c o h 0 1 ) 、聚磷睛( p o l y p h o s p h a z e n e s ) 和聚氨酯( f u ，p o l y u r e t h a n e s ) 等。 现在的复合材料主要是将h a 引入有机生物材料中，利用h a 的高弹性模量增加复 合材料的刚性及赋予材料生物活性，并作为强度增强因素存在。在h a 与人工高分子材 料中，目前研究开展较多的是h a p e 及h a p l a 复合材料。b o n f i e l d 等【5 1 1 开发的h a p e 复合材料于2 0 世纪8 0 年代初期以h a p e x t m 为商品名称上市。其杨氏模量与韧性断 裂强度接近于人体皮质骨。但p e 是一种非极性的高分子，h a 及p e 两相间作用力较弱， 在相当程度上影响了材料的力学性能，同时，据报道其降解产物有毒【5 2 】。s h i k i n a m i 等【5 3 】 将纳米h a 均匀分散于聚l 乳酸基体中制备了超高强度生物可吸收复合材料。该复合材 料具有良好的生物相容性、可吸收性、生物活性和骨结合能力。h a p a 复合材料是一种 新型的硬组织修复材料，聚酰胺具有优良的韧性，其刚度也超过相同分子量的聚乳酸及 聚乙烯。李玉宝等1 5 4 - 5 5j 通过p a 对纳米h a 材料的增韧，设计出兼具生物活性及生物相 容性的硬组织修复材料，其综合力学性能与自然骨的力学性能匹配，该种材料有诱导软 骨的特性。 1 2 4 3h a 与多种材料复合 目前也展开了利用以上几种复合形式同时进行多相复合的研究工作，其目的是为了 综合利用不同材料的各自优势，性能互补，开发出适应市场需要的高性能的l 临床医用材 料。z h a n g 等1 5 6 j 用热致分相法制备h a p l a 的三维多孔框架，孔隙率较高，孔隙直径界 于5 0n m 一3 0 0r i m ，形态自然圆润，取向规则，h a 在p l a 构成的孔壁中均匀分布。得 到一个在整体形状和微观结构均比较满意的可植入的三维多孔支架，多孔的三体结构可 使细胞三维方向长入，并且这种材料可作为生长因子载体。m o u 等1 57 j 使用常压共混复合 法制备了n h a c s p a 6 6 三元复合材料，n h a 的高表面活性及p a 6 6 和壳聚糖的极性使 三者更容易混合均匀。使复合材料能更好地传递外应力，达到既增强又增韧的目的。e u r a l 等1 5 8 j 利用聚丙交酯与聚己内酯的开环聚合形成共聚物，与h a 配成不同比例的羟基 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 磷灰石聚合物，可用做无承重骨。制备的材料柔软，力学性能较弱，有高的弹性并易于 用手成形。材料在体外的模拟体液中降解速度合适，已应用于动物，效果良好并无副作 用。 三元复合物越来越受到人们的关注。但由于工艺的不成熟，一些实验只是使h a 与 第二相之间产生键和，然后机械地将h a 聚合物与第三相搅拌到一起【5 9 南，并没有产生 实质上的化学键。 1 3 纳米h a 有机复合材料的制备方法 在硬组织修复材料研究中，科学工作者总是试图尽可能地来模拟自然骨的结构。正 是对这种模拟进行不断的努力，制备方法得以不断更新和发展，导致了性能更优异的羟 基磷灰石有机复合骨替代材料出现。目前报道较多的有以下几种制备方法： 1 3 1 机械混合法 w b o n f i e l d 等研究人员利用高分子量的聚乙烯( h i g h m o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ) 与 纳米级h a 合成复合材料1 5 。其方法是将羟基磷灰石和高分子量聚乙烯在高速搅拌下混 合。m w a n g 等的研究表明尽管h a 在复合材料中分布比较均匀，但二者间无新键形成【6 2 1 。 l i uq 等将预先合成好的纳米h a 粒子直接滴加入强烈搅拌的p e g p b t ( p o l y ( e t h y l e n e g l y e 0 1 ) p o l y ( b u t y l e n e st e r e p h t h a l a t e ) ) 氯仿溶液中，得到了机械性能较好的纳米复合材料， 但两相的相容性仍需进一步提高。 1 3 2 原位生成法 刘文斌等人利用原位合成法制备了h a 明胶复合物，断面呈鱼鳞状，为疏松结构， 适于做自然骨中的松质骨【6 3 】。k i k u c h im 使c a ( o h ) 2 和h 3 p 0 4 在猪胶原上自组装生成纳 米h a 晶体，然后复合材料在2 0 0m p a 压力下冷等静压制备仿生骨，该替代材料具有同 自然骨相似的纳米h a 晶形和组成畔j 。i c ev a ns i l e d r e g t 采用原位聚合的方法合成了 h a 聚乳酸复合材料( h a p l a ) 。即在乳酸聚合之前将h a 粉粒加入到乳酸中。他们对该 复合材料的力学性能及生物相容性进行了详尽的研究【6 5 1 。 1 3 3 仿生法 生物体内的生物矿化过程通常受到各种生物分子及其有序聚集体的精巧控制，从而 生成形貌、大小及结构受到完好调控的矿物，性能大大优于相应人工合成材料的各种生 物矿物。受生物矿化过程的启发，基于有机模板的仿生材料合成已发展成为当前材料科 学中一个非常活跃的研究领域【矧yz w a ne ta 1 【67 j 将细菌纤维素浸泡到0 1 mc a c l 2 溶液 中3 天进行预处理，然后浸泡到1 5s b f 中7 天以及1 4 天，表面可见沉淀均匀的h a 晶 体。f a l i n i t 锚j 等用甲壳素膜将0 7 3 1 0 z m o l l 的乙酸钙和( p h = 6 8 ) 和0 7 3 x 1 0 五m o l l 磷酸钾溶液分开，2 天后在甲壳素支架上制备具有层状结构h a 沉淀。 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 1 3 4 共沉淀法 魏杰等采用原位共沉淀法成功制备了在聚酰胺6 6 的d m a c 溶液中均匀分散的针状 纳米h a 晶体，不仅提高了纳米h a 在复合材料中的含量，同时还保持了复合材料的力 学性能1 5 4 1 。y a m a g u c h ii 在用共沉淀法制备h 壳聚糖纳米复合材料时发现，柠檬酸会 导致产物粒径增大，并且柠檬酸的离子作用对壳聚糖的影响比对h a 大。动物实验表明， 共沉淀法制得的纳米h a 壳聚糖胶原复合材料有希望作为软骨和骨的再生替代材料使 用。 1 4 骨的结构、功能和化学成分 1 4 1 骨的结构 骨是由无机矿物与生物大分子规则排列构成的复合材料。胶原纤维由薄厚两层交替 ( 成一定角度) 而成层状结构，无机物规则排列于其缝隙中。成熟骨组织的骨基质均以 骨板的形式存在，即胶原纤维平行排列成层并借无定形基质粘合在一起，其上有骨盐沉 积，形成薄板状结构，称为骨板( b o n el a m e l l a ) 。同一层骨板内的胶原纤维平行排列， 相邻两层骨板内的纤维方向互相垂直，如同多层木质胶合板一样，这种结构形式，能承 受多方压力，增强了骨的支持力。 由骨板逐层排列而成的骨组织称为板层骨。成人的骨组织几乎都是板层骨。按照骨 板的排列形式和空间结构不同而分为骨松质和骨密质。骨松质构成扁骨的板障和长骨骨 骺的大部分；骨密质构成扁骨的皮质、长骨骨干的大部分和骨髓的表层。 原胶原 _ ：i ：l 、 、 野 、 基 j | ： 髟， e ； 羟基 磷灰石 骨钣 骨 图1 1 长骨的分级结构 f i g 1 1h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fl o n gb o n e 6 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 1 4 2 骨的功能 骨的功能主要有两方面：一是组成骨骼系统，用来对人体支撑和维持人体的正常形 态，保护内脏器官。骨骼是肌肉附着部分尤为肌肉收缩和身体运动创造条件，骨骼以连 续变化来适应改变形状与结构的需要。二是调节血液的电解质c a 2 + 、h + 、h 2 p 0 4 。的浓度 来维持体内矿物质的动态平衡，及骨髓造血、钙磷的储存与代谢等功能。 1 4 3 骨的化学成分 骨是由无机盐、有机质和水构成。无机成分( 羟基磷灰石及碳酸磷灰石等) 占6 5 ； 有机成分占3 4 ；其余为水。 无机盐，又称骨盐( b o n es a l t ) ，约占骨干重的6 5 。主要成分是羟基磷灰石结晶 h y d r o x y a p a t i t ec r y s t a l ，c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，电镜下，结晶体为细针状，长约1 0 2 0r i m ， 它们紧密而有规律地沿着胶原纤维的长轴排列。 胶原是脊椎动物中的一种蛋白质，为身体的大多数结构提供重要的构架，在骨骼中 的胶原是i 型胶原。胶原蛋白是一种纤维性蛋白，基本组成单元是原胶原分子，该分子 定向整齐排列，分子间通过共价键交联，形成稳定的胶原微纤维，再聚集成胶原纤维。 胶原是从细胞中分泌出来的。胶原分子一般由三条口钛链绞合而成棒状。直径1 5n m ， 长3 0 0n m ，分子量3 0 万左右。其自组装形成胶原原纤维后直径为4n m - l o 啪。其排 列为每一列大约错开一个分子长度的1 4 ，原胶原纤维进一步组装成直径1 0 0a m 3 0 0a m 的胶原纤维。 1 5 课题的研究背景及研究思路 1 5 1 课题的研究背景及意义 从材料科学角度看，胶原纤维表面分布有羟基磷灰石微晶，可认为骨是一种无机相 增强高分子的复合材料，而从羟基磷灰石的框架结构来看，却可认为骨是一种弹性高分 子聚合物增韧的h a 基复合材料。实际上，骨羟基磷灰石晶体处于纳米级，在骨基质中 分布均匀，因此既有无机相增强，也有无机相增韧的作用。因此，目前普遍的研究就是 以高分子聚合物为基体，在其中填充无机粒子，如h a 。不过还存在一些问题：目前制 备的h a 复合材料中，以明胶和胶原为基体的复合材料虽然有良好的生物相容性和活性， 但其整体力学性能仍显不足，难以承受负荷和冲击力 5 8 , 5 9 j 。聚乙烯等与h a 构成的复合 材料兼顾了h a 的活性和高分子的韧性，机械强度明显提高，但h a 粒子与基体间为机 械结合。这类材料通常是将烧结的h a 或其他陶瓷研磨后与高分子溶液混匀制成，两相 间缺乏稳定化学键的结合，界面结合强度低【6 。另外，在体外实验中，s u n 的研究【6 9 l 表明，烧结h a 颗粒对成骨细胞生长具有一定的抑制作用。因此，整体上被认为是生物 相容的烧结羟基磷灰石以颗粒的形式能导致炎症反应。 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 另外，随着h a 颗粒尺寸的减小至纳米级，其比表面积和比表面能增大。在制备和 后处理过程中极易发生粒子团聚，形成二次粒子，使粒径增大到微米级，最终失去了纳 米粒子所具备的尺寸形态及功能。而在制备复合材料时，如何保持无机填充物的纳米形 态至关重要，同时要确保在聚合物中能分散均匀，对于有机无机复合生物材料来说， 保持无机相在有机基质中的均匀分散对提高材料的机械性能和生物相容性起着关键的 作用。目前常用的分散方法有离子吸附、表面活性剂改性和高分子改性三种。 离子吸附是指溶液中，离子吸附改善纳米颗粒分散性主要是通过纳米颗粒表面吸附 足够带电离子，增强表面电位，加强颗粒间的排斥力防止团聚来获得分散性。羟基磷灰 石早期由k a n os ，a o k ih 制备出来用于药物载体1 7 m 7 ，主要利用氢氧化钙和磷酸化学沉 淀法制备羟基磷灰石并辅助超声提高其悬浮稳定性。后来武汉理工大学的李世普、王友 法等人改进了制备溶胶的方法1 7 玉驼】，在制备过程中加入了肝素作为分散剂，很大程度上 提高了其溶胶稳定性。 表面活性剂改性主要是指在羟基磷灰石纳米颗粒上吸附或接枝上表面活性剂，表面 活性剂的分子具有溶解性或极性不同的2 个官能团，它们分别是亲油基团( 非极性基团) 和亲水基团( 极性基团) 。表面活性剂通过其基团在粒子表面的吸附，使纳米粒子在分 散介质中呈稳定的单分散状态，并使纳米颗粒的表面状态发生改变。纳米h a 粒子表面 极性很强，当采用表面活性剂进行接枝改性时，其极性基团易于在其表面形成牢固的结 合。如羧酸( 油酸、十三烷酸等) 中的羧酸根离子能吸附在o h 形成的空位上，其碳氢 链延伸至水相中，碳氢链的长短可决定在h a 表面形成半胶束的尺寸。带有胺基的表面 活性剂( 如十二烷胺) 其胺离子可通过与h a 表面的磷酸根离子之间的氢键而被吸附， 或通过烃链和胺离子的共吸附形成半胶束。但对于端基较大的含胺键的表面活性剂( 如 十二三甲基胺烷) 由于端基较大，不能在h a 颗粒表面形成良好的半胶束。针对纳米h a 粒子的表面接枝改性，首先应根据以下两个原则进行表面活性剂组分的设计：第一，具 有在h a 粒子表面形成锚固吸附作用的锚固基团：第二，使纳米h a 粒子通过立体障碍 形成稳定化的足够长的溶剂化链，并且与溶剂形成亲和作用。根据上述设计原则，选择 适当的表面活性剂，用于纳米h a 粒子的表面改性1 8 3 1 。 高分子添加剂最近已被成功地应用于多种无机矿物的表面改性和形貌的有效调控。 一类有代表性的高分子是双亲水嵌段共聚物，它由两个不同的亲水链段构成，其中一个 链段与无机离子或固体有较强的作用，另一个链段则只起分散或促溶作用。这种高分子 共聚物可在无机物的表面形成牢固的锚固，其伸展链段则在溶剂中呈舒展状态。对h a 粒子进行高分子聚合物的接枝，在选择聚合物溶剂化链时应特别注意，对于水或醇溶剂， 应选择具有相容性的结构，如果溶剂化链太长，与溶剂分子的亲和性太强，聚合物易于 被溶剂分子从颗粒表面拉下而脱附。同时链容易在h a 纳米粒子表面发生弯曲，造成立 体障碍层被压缩，或者链之间发生缠结，则会造成纳米粒子的再凝聚，因此，在h a 粒 子表面进行高分子接枝改性时，对于水性溶剂，可采用具有中等极性的聚酯链或丙烯酸 链。 基于以上几点，本文利用明胶作为改性剂，先将h a 纳米棒进行表面改性，降低 其表面能，利于h a 在溶液中的悬浮性能，从而制备h a 水溶胶，在此基础上，继而制 第一章人体硬组织修复仿生材料的研究现状 备成稳定的非水溶胶，再与p a 6 6 溶液共混，以提高h a 在p a 6 6 基体中的均匀分布。 之所以采用的p a 6 6 ，是因为它有与胶原中肽链类似的结构，并且有良好的力学性能。 它与明胶共有的酰胺键保证了包覆明胶的h a 和p a 6 6 界面间的有效键和。为制备高性 能有机无机复合材料开辟了一条新的途径。 1 5 2 课题的研究思路 ( 1 ) 以硝酸钙，磷酸铵及明胶为原料，在甘油和d m a c 混合液中通过氨水调节反 应p h 值制备h a 溶胶，确定甘油和d m a c 的最佳比例。选择适当的有机溶剂溶解高分子 聚合物，要求其与h a 溶胶体系有一定的相容性。按设计比例溶解适量高分子材料，滴 加到h a 溶胶中，在一定温度下，搅拌反应一段时间，经洗涤、干燥后得h a 聚合物混合 粉体。 ( 2 ) 采用t g a 法和燃烧法分析计算n h a 聚合物中h a 的含量；x r d 分析材料相组 成、f t - i r 探测所含基团；t e m 观察n - h a 颗粒分布和取向。复合材料的拉伸和弯曲性能 采用电子力学实验机测试。 ( 3 ) 在模拟体液中将复合材料浸泡不同时间，通过x r d 和f t - i r 两者结合来说明沉 积物的主要成分，在扫描电子显微镜下观察复合材料表面沉积物在不同时期的形貌，来 初步判断材料的生物活性。采用体外细胞培养法考察制备材料的生物学性能。选用成骨 细胞，以其相对增值率比较n h a 聚合物材料和纯p a 6 6 的细胞毒性。 第二章纳米羟基磷灰石非水溶胶的制备和表征 第二章纳米羟基磷灰石非水溶胶的制备和表征 当粒子尺寸进入纳米量级( 6 的情况 下被离子化，而与h a 中的c a 2 + 离子通过电荷引力而形成的离子键。正因为如此，明胶 才能通过化学键合紧密地包裹在羟基磷灰石颗粒的表面，从而产生足够的排斥力，使 n h a 颗粒空间稳定，溶胶得以形成。 此外，波数1 6 4 2 3 0c m 、6 9 2c m 和1 5 4 4 6 6c m d 的峰位分别归属于p a 6 6 中酰胺 基团c = o 的伸缩振动和n h 的弯曲振动，它们在基于溶胶制备的复合粉体中分别蓝移 到1 6 3 7 4 2c m 一、6 8 9c m 以和1 5 3 8 7 1c m 。1 的位置。这是由于p a 6 6 中的酰胺基团与明胶 大分子侧链上o h ，n h 等极性基团之间形成了分子间氢键的结果，二者之间也因此而 具有良好的相容性。同时，波数3 3 0 1e m 以处的特征峰归属于p a 6 6 的n h 伸缩振动， 复合后，谱带的吸光度减小，宽度增加，移动到3 3 0 4c m d 处。可能的原因是，当1 1 h a 加入至p a 6 6 后，由于n h a 晶体尺寸细小，分散在p a 6 6 纤维间，使得原先p a 6 6 分子 间或分子内形成的氢键被上述新形成的氢键所取代，降低了p a 6 6 相中的氢键密度，导 致p a 6 6 的酰胺带强度减小。图中2 9 3 5c m 。1 和2 8 6 0c m l 分别归属于p a 6 6 中c h 2 的伸 缩振动和c h 的伸缩振动，它们在复合粉体中也都对应存在。以上分析进一步证明，基 第三章n h a p a 6 6 复合材料的制各和表征 于溶胶制备的n h a p a 6 6 复合粉体中h a 和p a 6 6 的特征峰依然存在，二者的结构特性 没有因为复合而改变，这与x r d 的分析的结果相一致。而这些特征峰的规律性蓝移及 有别于二者的新峰位的出现表明了二者之间的化学键合。 根据上述实验结果，将基于溶胶制备的h a p a 6 6 复合粉体中n h a 、明胶和p a 6 6 之间的界面结合原理示于下图t o h a 悉iig l h a + e ll s t e p1 h a + g e l + p a 6 6 m o d 2 厂灏卜。之 i 眦1 瓣0 - 忏孓 l 籼 i 耐2 l 灏未f s t e p 2 图3 _ 4n h a p a 6 6 复合物的界面结合原理 f i g 3 - 4t h e i n t e r r a c i a lb o n d a g em e c h a n i s mo f n - h a p a 6 6c o m p o s i t e 2 2 - 第三章n - h a p a 6 6 复台材料的制各和表征 3 2 3 产物的微观形貌分析 3 2 3 1 产物的s e m 和t e m 照片 图3 - 5n h a p a 6 6 复合物的微观照片 a ，b 为扫描电子显微镜照片；c ，d 为透射电子显微镜照片 f i g3 5m i c r o 口- a p h so f n - h a p a 6 6c o m p o s i t e s e mi m a g e s (