（材料科学与工程专业论文）冷冻干燥法制备羟基磷灰石多孔支架.pdf

摘要 论文题目：冷冻干燥法制备羟基磷灰石多孔支架 学科专业：材料科学与工程 研究生：王新娟签名： 指导教师：赵康教授签名： 摘要 骨组织工程学中植入人工骨是治疗骨缺损，骨修复及组织重建的有效手段，人工骨支 架材料的制备得到人们广泛的关注，因此开发生物相容性较好、力学性能更好的新型生物 陶瓷支架是目前亟待解决的问题。 本文提出一种新的制备多孔羟基磷灰石( h a ) 支架的方法一冷冻干燥法。该方法以 生物活性较好的h a 为原料，羧甲基纤维素( c m c ) 为粘接剂，通过低温冷冻，低压干 燥，排胶、烧结等工艺制备出层状h a 多孔支架。研究了工艺参数对支架孔结构的影响规 律，测定了不同孔结构h a 支架的抗压强度，根据骨组织工程学对植入材料的基本要求， 进行了体外细胞模拟试验。结果表明： 通过控制冷冻温度和浆料浓度实现层间距在5 0 - - 4 0 0 z m 、孔隙率在4 5 8 5 之间可 控。当冷冻温度为1 0 、3 0 、1 9 6 时，所制各支架的层间距分别为3 5 0 - - 一4 0 0 z m 、 2 0 0 - - - 2 5 0 z m 、5 0 - - - 1 0 0 z m ：当浆料浓度为3 0 时，可获得孔隙率为6 0 - 6 5 的多孔h a 支架，以满足植入体的需要；通过添加n a c i 晶体可以制备具有不规则层状结构的多孔 h a 支架。烧结温度控制在1 2 5 0 、保温2 - 6 h ，保证材料物相组成不发生变化，羟基数 量相对稳定，钙磷比接近1 6 7 。 抗压缩性能试验表明：当层间距为2 0 0 - - 2 5 0 # m 、孔隙率为6 5 时，h a 支架的抗压 强度可达7 9 m p a ，表明其具有较好的力学性能。此外，多孔h a 支架的抗压强度盯与孔 隙率p 之间的关系符合i n 仃- l n 仃，c p 关系的方程。 体外模拟试验结果表明：层状孔结构h a 支架有利于细胞的生长，细胞在支架上铺展 形态良好，结构清晰；多孔支架对细胞的吸收率明显高于密实态的h a 支架，孔隙率对细 胞的附着过程影响较大，随着孔隙率的减小，多孔h a 支架的细胞吸收率逐渐降低，当层 间距为2 0 0 - - 2 5 0 t m 、孔隙率为6 5 时，细胞吸收率约为o 2 6 a r b i t u n i t 。 关键词：羟基磷灰石：冷冻干燥；层状多孔陶瓷：抗压强度；体外模拟 a b s t r a c t t i t l e ：f a b r i c a t i o no fh ap o r o u ss c a f f o l db yf r e e z e d r y i n g m a j o r ：m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g n a m e ：x i n j u a nw a n g s u p e r v i s o r ：p r o f k a n gz h a o a b s t r a c t s i g n a t u r e ：咝2 丝业竺竺 s i g n a t u r e ： an e wp o r o u sc e r a m i c p r e p a r i n gm e t h o d ，f r e e z e - d r y i n gh a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s i tp r o v i d e sl a m e l l a rp o r e sb yr e m o v i n gt h el i q u i df r o mf r o z e nb o d y t h ec h a r a c t e ro fl a m e l l a r p o r e sc a l lb ec o n t r o l l e db yf r e e z e d r y i n gp a r a m e t e ra n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e r , t h e p o r o u sh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) s c a f f o l d sw i t hl a m e l l a rp o r e ss t r u c t u r e w e r ef a b r i c a t e d b y f r e e z e - d r y i n g t h ep r o p e r t i e si n c l u d i n gp o r e sm o r p h o l o g y , s i z e ，a n dd i s t r i b u t i o n w e r e i n v e s t i g a t e d ；t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r et e s t e db yi n s t r o n 5 5 6 5m a t e r i a lt e s t i n g t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es c a f f o l d sh a v ea l lo p e n ，u n i d i r e c t i o n a la n di n t e r c o a n e c t e dl a m e l l a rs t r u c t u r ew i t h ap o r o s i t yb e t w e e n4 5 , - - - 8 5 ，a n dw i t hp o r es i z eb e t w e e n5 0 - 4 0 0 比m ，t h ev o l u m ef r a c t i o no f h ap o w d e rp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ep r e p a r i n go ft h es c a f f o l d s t h ev o l u m ef r a c t i o no fh a p o w d e rb e t w e e n3 0 - - - 3 5 c o u l df a b r i c a t el a m e l l a rs c a f f o l d , w h i l es l u r r yw i t hh ap o w d e r 3 0 v o ic o u l do b t a i ns c a f f o l dw i t hp o r o s i t yb e t w e e n6 0 , - - , 6 5 t h ep o r es i z eo fh as c a f f o l d w e r ec o n t r o l l e db yf r e e z et e m p e r a t u r e ，w h e nt h et e m p e r a t u r ew e r e - 1 0 1 2 、- 3 0 c a n d - 1 9 6 c r e s p e c t i v e l y , t h ep o r es i z ew e r e3 5 0 4 0 0 缸m 、2 0 0 2 5 毗m 、5 0 1 0 0 缸m t h er e s u l t so fc o m p r e s s i v eh a v eag r e a tr e l a t i o n s h i pw i t hp o r o s i t ya n dp o r es i z e d i s t r i b u t i o n ；t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hd e c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fp o r o s i t ya n d p o r es i z e w h e ns i n t e r e dt e m p e r a t u r ea n dt i m ew a s1 2 5 0 c ，2 6 h ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f 7 9 m p aw a so b t a i n e da tp o r o s i t y6 5 ，a n dp o r es i z e2 0 0 2 5 毗m t h ep o r o u ss c a f f o l dw a sp r o v e dt oh a v eag o o dc o m p a t i b l eb yv i t r oc e l l u l a ra s s a y t h e o s t e o b l a s t l i k ec e l l sw e r ea t t a c h e da n ds p r e a dw e l lt h r o u g h o u tt h ep o r o u ss c a f f o l d ，w h i l et h e p o r es i z ea n d t h ep o r o s i t yw e r e2 0 0 2 5 0 j ma n d6 5 ，t h ea b s o r b a n c eo fh as c a f f o l dw a s0 2 6 a r b i t u n i t k e yw o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ；f r e e z e d r y i n g ；l a m e l l a rp o r o u s ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；i nv i t r ot e s t 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：至堑绉伽牌多月z 7 日 学位论文使用授权声明 本人王堑娟在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 己获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：鲻 导师签名： 协3 年歹月z 7 日 1 前言 1 前言 1 1 选题背景及意义 随着现代生命科学、材料科学、医学、工程学等多学科相互渗透和发展，生物医用材 料对人类健康做出重要贡献，其发展愈来愈受到人们的关注，成为世界各国竟相研究开发 的热剧1 1 。生物医用材料( b i o m e d i c i n em a t e r i a l s ) 又称生物材料( b i o m a t e r i a l ) ，是指以 医疗为目的，用于和活组织接触以形成功能性的无生命材料，包括具有生物相容性或生物 降解性能的材料，即生物材料是用于取代、修复活组织的天然或人造材料【2 1 。由于创伤、 肿瘤、先天性畸形、感染、病理等因素造成的骨组织缺损是临床面临的难题之一，植骨术 是解决这一问题的主要方法。植骨术主要分为自体来源植骨术、同种异体或异种植骨术以 及组织工程植骨术【3 1 。前两种方法的弊端或局限性主要有供源不足、供区损伤和取骨后的 并发症、移植排斥反应等。而利用组织工程学原理和方法构建的组织工程骨移植可以改进 上述弊端，为骨缺损的修复提供了全新的思路和方法 4 1 。 组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 是用生命科学和工程学的原理及技术，构建、培育活 组织，研制生物替代物，以修复或重建组织器官的结构，维持或改善组织器官功能的一门 新兴的边缘学科【5 _ 刀。组织工程的发展为组织或器官的修复与再建提供了可能。近年来， 随着组织工程学这门研究利用细胞培养技术制造人工组织或器官的学科的迅速发展，组织 工程材料( t i s s u ee n g i n e e r i n gm a t e r i a l s ) 也日益受到人们的重视。研究开发具有良好组织 相容性的材料已成为组织工程发展的基石1 8 _ 1 0 j 。 我国是世界上人口最多的国家，国外预言我国作为十大新兴医疗器械市场之一，在今 后数十年市场容量和规模将超过目前世界排名第二、亚洲第一的日本【1 1 】。巨大的市场吸 引了大量的欧美生物医用材料器械公司进军中国，并以其技术、资本优势在国内占据主导 地位1 1 2 _ 1 3 1 。而国内在硬组织修复材料的开发、生产方面与国际先进水平相差较大，临床 使用的产品几乎全部依赖进口，这不仅增加了国民医疗费用的支出，使一些患者在高额的 费用面前望而却步，不利于我国相关医疗技术水平的提高。因此，追踪国际先进硬组织修 复材料制备技术，开发和研制具有我国自主知识产权的硬组织修复材料，提升我国生物医 用材料的产业规模和技术水平，势在必行。 1 2 骨组织工程学中理想支架的要求 1 2 1 骨结构的特殊问题 a 骨骼结构 骨骼是人体重要的组织，也是一个重要的器官，骨骼作为人体的支架，担负着支持、 保护、承重、造血、代谢等功能。骨是由同心圆排列的骨板与哈佛氏系统组成，外层致密、 西安理工大学硕士学位论文 硬、厚，为皮质层；内层排列疏松，呈网状，为松质骨【1 4 _ 1 剐。骨内有神经分支、血管和 中央静脉。关节端为关节软骨覆盖，关节软骨为透明软骨，有减少摩擦、分散应力、吸收 震荡等功能。同时，关节端还有关节囊、韧带、腱附着，是重要的运动部位。在构建包含 关节端的长管状人工骨支架时，需要考虑这些正常功能和结构。 b 骨的血液循环 骨的血液供应来自滋养血管、关节端血管和骨膜血管，这些血管在骨皮质、骨髓腔内 形成网状，为骨生长提供营养及排出代谢产物。在构建人工长管状骨时，由于所用人工材 料量大，管径粗，如果仅依靠周围的血管长入使其血管化，则管状材料内层不能获得血液 供应，会严重影响人工材料的力学性能。 c 骨的生物力学性能 人体任何活动都会对骨产生3 种类型的力。即直接作用于骨的外力、肌肉收缩产生的 内力和骨对外力、内力产生的反应力，这些力的作用使骨产生形变。在运动或静止状态下， 骨骼要接受剪切力、张力、压缩力和这些力的复合作用。为了适合这些力学环境，使骨的 结构具有特殊性，在构建骨填充材料时，应考虑到这些生物力学功能的特殊性旧。 1 2 2 骨对其修复材料的特殊要求 从生物力学观点来看，骨组织是双相性组合材料，一相是无机质，以钙、磷为主：另 一相为有机质，以胶原和其它基质为主。这种组合材料是强而硬的无机质包容于弱而易屈 的有机质中，因而使其具有特别的生物力学功能，其中最主要的是强度和硬度。正常骨皮 质的弹性模量为1 5 - - 2 0 g p a ，拉伸强度极限为1 2 4 m p a ，压缩极限强度为1 7 0 m p a ，不同骨 骼其生物力学功能有差别1 2 1 。这些生物力学特性反映了骨的功能适应性。如果能按正常骨 的基本结构仿生制备出人工骨，则能满足骨功能的适应性要求。 人工骨材料植入最终要成为人体骨，并完成其生物力学功能，必须能与受体骨和组织 愈合。因此要求人工骨材料具有引导或诱导自体细胞长入的能力。这可由材料的组成成分 及表面改性处理来满足。 1 2 3 理想支架材料的特点 骨组织工程材料的选择要考虑其骨传导性和骨诱导性。骨传导性是指材料支持宿主细 胞和毛细血管的长入，构筑三维结构物而形成骨，骨传导材料引导可愈合部位骨组织的修 复；骨诱导性是指材料可使多功能性细胞在非骨性环境中分化成软骨细胞和成骨细胞，并 最终形成骨组织，骨诱导性材料使原先不能愈合的缺损部位得到修复。骨细胞能识别材料 表面的化学拓扑结构、表面能、应变或其他力学刺激。对可吸收材料而言，其表面结构在 不断更新，处在动态变化中，此外，表面能将影响特定蛋白的吸附，进而影响材料的细胞 亲和性【l 扣1 9 j 。理想的支架材料应该具有： ( 1 ) 具有良好的生物相容性：要求材料无毒， 不致畸利于种子细胞黏附、增殖，降解产物无毒害作用，不引起炎症反应等；( 2 ) 具有 2 1 前言 良好的生物降解性：材料在完成支架作用后应降解，降解速率应与组织细胞生长率相适应， 降解时间可人为调控；( 3 ) 具有三维多孔结构：材料需具有合适的孔径、高孔隙率( 最 好达9 0 以上) ，较高的内比表面积，有利于细胞黏附生长，血管和神经生长，又有利于 营养成分的渗入和代谢产物排出；( 4 ) 具有良好的可塑性：维持生长其上的细胞形态和 表型，并增进细胞的黏附和生殖、诱导骨再生；( 5 ) 有一定的机械强度，能够满足人体 正常的生理压力的需要【删。 1 3 目前常用支架材料的研究现状 在现代医学中，对骨缺损的修复主要有三类：自体骨移植、同种异体骨移植和人工材 料替代【2 1 】。自体骨虽然能够取得比较好的修复效果，但是要从病人体内切取，额外增加 了病人的痛苦；同种异体骨会发生免疫排斥反应和传播疾病，同时来源也十分有限。而人 工骨材料既避免了病人们自身取材的手术痛苦和所带来的并发症，也避免了同种异体骨免 疫排斥反应的危险，同时人工骨材料具有标准化批量生产，较容易进行质量控制等优点。 单纯骨干缺损只需要构建一个管状支架即可。但是，临床上带有关节端的长骨缺损比单纯 骨干缺损更为常见。人工骨材料是比较理想的长骨缺损修复材料。人工骨修复替代材料已 有2 0 多年的研究历史，但至今尚无一种十分有效的替代物修复长管状骨，大多数仅填充骨 的腔穴性缺损。然而临床上最难处理的是长管状骨的修复，这是材料专家与骨科临床医师 今后研究的重要方向之一。按照成分和性质，生物医用材料可分为医用高分子材料、医用 金属和合金、生物陶瓷，以及它们结合而成的生物医用复合材料【冽。 1 3 1 医用高分子材料 ( 1 ) 聚乳酸( p i a ) 和聚乙醇酸( p g a ) p l a 和p g a 都是a 聚酯类高分子聚合物，具有 良好的生物相容性和生物降解性。p l a 可由乳酸直接缩聚而成，但是分子量不高，高分子 量的p l a 是由丙交酯在引发剂的引发下开环聚合制得的。p l a 有三种异构体：p d l a 、 p u a 、p d l l a ；根据合成时的条件不同，各种构形的聚乳酸产物的分子量可以不同，分 子量的大小从几百到几十万。它的体内降解产物为乳酸，是糖代谢产物。p g a 在体内的 降解产物为羟基乙酸，易于体内代谢。随着分子量的变化，它们的吸收率不同，产生的炎 症反应也不同。p l a l 6 0 的炎症反应最小，吸收最完全。也有人认为分子量低于2 0 0 0 0 u 时， 无菌炎症发生率较高。经过浇铸、微粒滤出、气体发泡等技术，制成的p l a 、p g a 泡沫， 具有良好的三维结构，是较理想的组织工程材料。优点：二者都有水溶性，它们都具有骨 传导性、并有良好的组织相容性和可吸收性。缺点：亲水性不足，细胞吸附能力较弱；降 解过程中，引起局部的p h 值下降，从而引起无菌性炎症；机械强度不足，不能单独应用 于承重部位的骨缺损：降解产物可能有细胞毒作用等。 ( 2 ) 聚原酸酯( p o e ) 聚原酸酯是一种人工合成的生物降解高分子材料，通过多元原酸 或多元原酸酯与多元醇在无水条件下缩合形成原酸酯键而制得，产物为疏水型聚合物，不 3 西安理工大学硕士学位论文 溶于水，在水溶液中不溶胀，可溶于环己烷等有机溶剂。体内降解产物为水溶性的小分子， 易于代谢，其降解过程是可以预测的。优点：可吸收性与降解速率的可预测性。缺点：降 解过程中引起无菌性炎症；机械强度不足，不能单独应用于承重部位的骨缺损；降解产物 可能有细胞毒作用等。 ( 3 ) 聚丁酸( p h b ) p h b 最早由l c m o i g n e 于1 9 6 4 年从细菌中分离出来的，后来在诸多细 菌及人体的血液中都发现了该物质。p h b 由3 羟基丁酸通过酯键链接而成的，后来人们又 发现p h b 有压电效应，适合作为骨折内固定材料。它同样可以经过适当的加工技术，制成 支架材料，应用于组织工程中。优点：该物质可以在体内分解、代谢，无副作用。缺点： 易碎，热不稳定，降解时间长，机械性能差等【2 3 1 。 1 3 2 医用金属材料 根据对组织工程骨支架材料的要求，可以将其设计为具有多孔表面的低弹性模量的钛 合金基体，表面是一层可诱导骨形成并与组织发生键合的新型生物性陶瓷或生物活性膜， 内层是一层结合强度很高的氧化物陶瓷过渡层。合成材料可以加工成不同的形状结构，设 计制造过程中能对材料的机械强度、降解速率、超微结构等进行控制。但其缺点就是缺乏 细胞识别信号，不利于细胞特异黏附及特异基因的激活【冽。 1 3 3 生物陶瓷 ( 1 ) 医用硫酸钙为1 9 9 6 年6 月获f d a 及c e 标志的产品，临床应用上千例，证明是安全、 有效的，化学成分为半水硫酸钙( c a s 0 4 1 2 h 2 0 ) 。现在的生产手段，可使它的纯度、颗 粒的均匀度达到了相当高的水平。p e l t i e r 进行动物实验，证明c a s o 。有成骨效应，但要有 骨膜存在，并在体外实验证明，成骨细胞附着其中，破骨细胞吸收硫酸钙，形成生物降解， 该物质植入体内，3 周降解5 0 ，6 周存少许，2 4 周完全消失。b a i 将该材料与骨形态发生 蛋白复合，治疗1 6 例股骨干骨折，取得良好效果，m o u s s e t 通过对比实验得出结论，该支 架材料是糖肽，氨基糖贰类抗生素的载体，其3 周内释放的浓度达治疗水平。国内的临床 应用刚刚起步。优点：无抗原性、可吸收性，异物反应很小，可以吸附生物因子、干细胞、 化疗药物。缺点：无骨诱导作用，脆性大。 ( 2 ) 磷酸钙羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 1 9 2 0 年a l b e e 和m o r r i s o n 描述了磷 酸三钙具有成骨能力。目前，羟基磷灰石是磷酸钙陶瓷类中应用最多、最广的。人工控制 的产品，其纯度、颗粒均匀度达到了相当高的水平，相容性好，无抗原性，现已广泛应用 于临床的人工假体涂层。以该材料为支架实验的研究较多，目前，纯h a - p r o o s t e o n 5 0 0 ， 已经被f d a 批准应用于临床。优点：无抗原性，可吸收性，异物反应很小，可以吸附生 物因子、干细胞、化疗药物。缺点：无骨诱导作用，脆性大1 2 5 】。 生物陶瓷材料的研究和临床应用，已经从短期的替换和填充，发展成为永久性牢固植 入，从生物惰性材料发展到生物活性材料、生物可降解材料和复合材料。其中生物陶瓷材 4 1 前言 料广泛应用于人工牙齿、人工骨、人工关节、固定骨折用的器具等1 2 ，生物陶瓷的研究 方兴未艾，它在未来的生物医用材料中必将占有重要的位置。 表1 1 列出了陶瓷医用材料与金属、高分子的特性比较，可以看出尽管陶瓷材料有自 身的缺点，但也明显表现出许多优良的特性【矧。 表1 1 金属、高分子和医用生物陶瓷的比较 无机非金属 特性 金属高分子 生物惰性生物活性可降解 成分 和骨组织结合 毒性 破坏方式 破坏强度 弹性模量 柔软性延展性 抗腐蚀性 透过性 加工性 生物相容性 溶解性 与骨不同 不 溶解离子有毒 一般不断裂 大( 一般无问题) 大 有 较差 无 良好 很小 与骨不同 不 溶解增塑剂有害 难断裂 小 有 良好 有 良好 很小 与骨相似 结合 一般没有 破断 一般较低 ( 必须提高) 中 无 良好 无 较好 良好 较小 与骨相似 置换 一般没有 破断 一般较低 ( 必须提高) 中 无 良好 无 较好 良好 小 1 4 生物陶瓷材料 生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷，包括精细陶瓷、多孔陶瓷，某些玻 璃和单晶。根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的 生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接与生物体接触使用的 生物陶瓷。后者常用作固定酶、分离和提纯细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等以及作为生 物化学反应催化剂的载体，是使用时不直接与生物体接触的生物陶型z 刀。 1 4 1 生物陶瓷材料的特点 植入陶瓷又称生物体陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其 他医用人造器官和穿皮接头等。 植入陶瓷要求：一要与生物体的亲和性好，即植入的陶瓷被侵蚀、分解的产物无毒， 不使生物细胞发生变异、坏死，不会引起炎症、生长肉芽等；二要在体内有长期功能，且 一不一端中姗大无姗无 一 姗舭 与 一 侣 西安理工大学硕士学位论文 可靠性高，即在1 0 - - 2 0 年的长期使用中，不会降低强度，不发生表面变质，对生物体无致 癌作用等；三要易于在短期内成形加工；四要容易灭菌，陶瓷不同于金属，它具有强共价 键性质，即使在生物体内苛刻的化学条件下，也具有良好的化学稳定性，排斥反应迟缓， 具备长期使用的机械性质。与有机高分子材料相比，生物体陶瓷耐热性好，便于进行高压 灭菌例。 1 4 2 生物陶瓷材料的分类 植入陶瓷按其与组织的反应水平来分，分为生物惰性和生物活性两大类。 a 生物惰性陶瓷 生物惰性陶瓷一氧化锆和氧化铝基陶瓷为代表，其特点是不与组织产生化学结合， 能在生理环境中保持化学稳定，分子中的键力较强，并具有很高的强度，主要用于承力的 人工骨关节。但其弱点是不具有生物活性，形成骨接触界面( 界面上有薄层纤维) ，与生 物体组织间的结合基本上是不牢固的机械嵌连。 b 生物活性陶瓷材料 生物活性陶瓷的材质有生物活性玻璃( 磷酸钙系) 、羟基磷灰石( h a ) 陶瓷、磷酸三 钙( t c p ) 陶瓷、双相钙磷陶瓷( 蝴c p ) 等磷酸钙盐。与氧化锆和氧化铝基陶瓷相反， 生物活性陶瓷不但具有良好的生物相容性，而且可以传导骨生长并和组织形成牢固的键 合。生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷( 又称生物降解陶瓷) 。生物 表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键 厶 口。 生物降解陶瓷包括：硫酸钙陶瓷、碳酸钙陶瓷、磷酸钙陶瓷及其同分异构体，特点是 其成分与骨矿物组成类似，在生物环境下能发生不同程度的降解，被组织吸收( 此被称为 生物降解或生物吸收) ，在生物体内能诱发新生骨的生长，材料完全吸收后所形成新骨塑 形不再受材料存在的影响，而材料吸收形成的新骨塑形后强度优于新骨与材料结合的强 度，因此被认为是典型的现代化生物陶到2 9 侧。 1 4 3 羟基磷灰石生物陶瓷 羟基磷灰石属于磷酸盐系无机非金属材料，化学式为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 简称h a ) 。它是人体内骨和齿的重要组成部分，如人的骨成分中含有约6 5 的h a ，人的 牙齿釉质则含有9 5 以上的h a 。因此，与其它生物材料相比，人工合成的h a 陶瓷的基体 亲和性最为优良。研究表明，羟基磷灰石与周围骨组织结合主要是通过两种途径：( 1 ) 化 学性结合，h a 的c a “，p 0 4 孓与周围骨骼组织中的c a 、p 离子形成化学键；( 2 ) 生物结合， 骨细胞长入h a 的微小孔隙中【3 m 3 1 。 6 1 前言 1 4 4 多孔羟基磷灰石生物陶瓷 仅采用生物相容性好的骨材料，在修复中发现仍然存在一些问题，因为这些人工骨由 于制备方法的限制在孔洞的几何结构方面不能完全满足人体的要求，如何制备出与人体骨 几何结构类似的钙磷陶瓷人工骨支架是目前国内外研究的前沿。多孔羟基磷灰石生物陶 瓷，其相互连通的孔隙有利于组织液的微循环，并为羟基磷灰石深部的新生骨提供营养， 促进纤维组织和新生骨的结合和生长，是一种性能优异的硬骨组织替代材料，在生物医学 领域引起了人们的密切关注，近年来关于多孔羟基磷灰石生物陶瓷的研究，很大部分集中 在多孔植入体孔结构，尤其是孔形貌、孔尺寸对多孔体与组织之间互相关系的影响。根据 不同的植入需求，制备不同孔形貌、孔径的植入体，在满足生物性能前提下，尽可能地提 高机械强度l 刈。 从植入角度，据报道【3 5 j ：致密h a 植入体内后，新生组织不能长入h a 内部，仅在表面 形成骨质，而当多孔h a 植入体内后，能为纤维细胞和骨组织向羟基磷灰石生长提供通道 和生长空间，增大组织与羟基磷灰石接触表面积，使界面的软硬组织都能长入孔隙内，形 成纤维组织和新骨组织交叉结合的状态，这种界面结构能保持正常的代谢关系，骨材料的 界面结构具有生理性结合。还有研究显示，理想的基质应有足够的孔隙以利于营养物的扩 散与代谢物的排除，具有一定的力学稳定性以支撑和传递荷载。组织和器官的成功再生， 还和基质材料的表面化学结构、孔隙率、孔隙的微观和宏观结构以及支架的形状有关。材 料表面化学性质应利于细胞的黏附，并激活细胞和基质之间的相互作用，使细胞表达正常 表型。 此外，支架的孔径、孔隙率以及孔隙之间的贯通程度将影响组织的长入。据资料显示， 植入物孔径为2 0 z m 时适于长纤维细胞的长入，2 0 - - 1 2 5 z m 时适合成年哺乳类皮肤组织的 长入，而1 0 0 - - 2 5 0 m 适合骨组织再生 3 6 1 。骨根据其功能和部位的不同结构各不相同，人 骨单位( o s t e o n ) 的平均大小约为2 2 3 z m ，因此支架的最佳孔径应为2 0 0 3 0 毗m 。当多 孔h a 的孔隙超过3 0 后，多孔体内孔隙间能相互贯通，新生组织可以从人工骨表面“爬 行 至内部，而且相互结合起来不仅界面结合好，还由于新生组织的长入降低了多孔h a 的脆性，同时又提高了其抗折强度。此外，由于多孔降低了h a 材料的刚性，使其接近机 体组织的弹性模量，有利于界面应力的传导，符合界面应力的要求，使界面能保持稳定， 从而提高种植效应，美国生物玻璃的发明者ll h e n c h 认为，这样的结构可大大降低界面 上的应力，是今后解决界面问题的一个有效方法。较高的孔隙率有利于骨细胞的生长，但 孔隙率高的同时，多孔支架本身强度降低，为让初期植入体满足i 临床应用对力学性能的要 求，一般支架孔隙率在6 0 , - - , 7 0 1 3 7 1 。 多孔羟基磷灰石的另外一个有意义的应用就是其孔隙为其它材料与其复合制备新功 能材料提供了复合的空间位置。如多孔羟基磷灰石与聚乳酸材料，羟基磷灰石与骨形成蛋 白( b m p ) 和胶原复合都是多孔羟基磷灰石主要应用领域，另外多孔羟基磷灰石与某些 药物相复合，制成一种在人体中逐渐扩散药物的药物缓释载体，也是多孔羟基磷灰石的一 7 西安理工大学硕士学位论文 个重要应用领域。 1 4 5 多孔羟基磷灰石的制备方法 目前，国内外已经形成了多种制备多孔生物陶瓷的方法，如固相烧结法，添加造孔剂 法、有机泡沫浸渍法、发泡法及溶胶一凝胶法等，这些方法大都是采用h a 粉体与挥发性 有机物混合，压制成坯后烧结。为了获得多孔的h a 陶瓷，必须选用适当的有机发泡剂， 现有的有机发泡剂有聚亚安酯及聚氯乙烯等。 ( 1 ) 添加造孔剂该工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用这些造孔剂在高温下燃尽 或挥发而在陶瓷体中留下孔隙。利用这种工艺可以制得形状复杂、气孔结构各异的多孔 制品。但制品气孔率不高，且气孔分布均匀性差。其工艺与普通陶瓷工艺相似，关键在 于造孔剂种类和用量的选择。造孔剂颗粒的形状和大小决定了多孔陶瓷材料气孔的形状 和大小。造孔剂的种类有无机和有机两类，无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等 高温可分解的盐类，以及酶粉、碳粉等；有机造孔剂主要是天然纤维、高分子聚合物和 有机酸，如聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯醇缩丁醛、甲基纤维素、硬脂酸、尿素掣3 剐。 ( 2 ) 化学发泡法化学发泡法是将在较高温度能够分解产生气体或发生化学反应产生气体 的化学物质与羟基磷灰石粉体浆料混合成型，在一定温度下加热处理发泡，再烧结产生大 孔陶瓷。要求成孔剂和发泡剂的残留物不影响陶瓷的性能和组成，或残留物经简单的水洗 可以除去。常用的发泡剂是过氧化氢( h 2 0 2 ) 。以聚乙烯醇等水溶性聚合物为粘结剂，利 用h 2 0 2 分解气体可以制备多孔h a l 3 9 - - 4 。 ( 3 ) 烧结微球法将可降解聚合物微球加入模具中，加热至玻璃化温度以上，保持一定 时间后冷却、脱模可制得烧结微球支架。热处理时微球相互接触处由于链运动而连结在 一起，冷却至室温后该结构被固定下来，因而得到多孔的烧结微球支架。该法优点在于 孔连通性好，孔尺寸易调控，力学强度大，缺点则在于孔尺寸偏小，孔隙率亦低1 4 2 1 。 ( 4 ) 水热热压法将化学计量的氢氧化钙和磷酸氢钙至于高压釜中在一定温度、压力下水 热热压发生反应，产生的n h 3 形成多孔h a 中的大孔。大孔的尺寸为1 0 0 , u r n 至5 0 0 , u r n ，开e l 气孔率达4 0 ，抗压强度为较好。在1 0 5 0 下烧结3 d 时后，红外谱分析表明羟基仍在， 说明h a 未分解。由于这种方法得到的多孔h a 具有较高的抗压强度、较大的气孔尺寸和孔 隙率，因此可以认为这是制取多孔h a 的一种较好的方法1 4 3 。 ( 5 ) 溶胶一凝胶法( s 0 1 g e l ) 主要利用胶化过程中胶体粒子的堆积以及热处理过程中留 下的小气孔，形成可控多孔结构材料。该方法大多产生纳米级气孔，属于中孔或微孔范围 内，这是前述方法难以做到的，也是目前较为重视的领域1 4 4 】。 ( 6 ) 热致相分离( t i p s ) 热致相分离技术主要是利用潜在溶剂的热能来致相分离，制备 特定结构的聚合物多孔材料。控制相分离的条件，可以控制所得聚合物多孔材料的密度、 孔径大小和分布以及孔的形态等。但是实现难度很大。该法在国外应用很多，国内报道较 少。 8 1 前言 ( 7 ) 有机骨架复制法这种方法是采用南太平洋上具有类似松质骨结构的孔珊瑚，这些珊 瑚的骨骼结构具有完全连通孔隙，具有完全理想的作为植入材料的孔结构1 4 5 枷j 。 此外还有微波法、注浆成型法等，但这些方法多依靠模板和涂浆厚度或添加造孔剂的 数量来实现对孔径和孔隙率的可控；制品受形状限制，可控率很低，所得的参数与预想的 参数相差很大，实验前景不乐观。国外许多研究单位利用浇注发泡法和凝胶成型( s 0 1 g e l ) 工艺，这种方法制备效率低，制品孔径过小，工艺难以控制。表1 2 列出了几种国内外常 用工艺方法的特点。至今很少能够制备出高强度、结构可控的支架材料。 表1 2 几种国内外常用生物陶瓷支架制各工艺的比较 ! ! ! ! 宝：! ：兰垒垩p 竺12 1 堡皿! 璺! i 2 呈2 1 垒i 2 1 呈! 苎坚坚! 苎苎垡2 1 璺兰 成形方法 孔径m n 孔隙率优点缺点 1 4 6 多孔卧的应用及展望 多孔羟基磷灰石生物陶瓷的研究和应用，在生物材料工程界引起极大关注，利用多孔 陶瓷羟基磷灰石制成的人造骨、人造牙齿、人造关节等，已应用于临床实验1 4 q 。多孔羟 基磷灰石具有明显的优越性，其孔隙为与其它材料复合提供了有利条件。目前，多孔羟基 磷灰石与聚乳酸等可降解材料的复合，多孔羟基磷灰石与骨形成蛋白( b m p ) 、成骨细 胞的复合、胶原的复合都成为多孔羟基磷灰石研究应用的主要方向，多孔陶瓷的几何形态， 特别是孔洞表面的粗糙度、微孔，孔洞的互通性等因素影响着这类复合物的成骨能力。通 过对多孔羟基磷灰石陶瓷的制备工艺的控制，获得有利于吸附骨形成蛋白或骨髓基质细胞 等骨生长因子的多孔结构，并合理地匹配复合物中骨生长因子的浓度，这种生物活性的多 孔羟基磷灰石陶瓷生物材料可望在骨组织缺失修复、组织重建、骨病治疗等骨科临床治疗 方面获得良好的应用。 9 西安理工大学硕士学位论文 1 5 冷冻干燥法的原理、发展现状及前景 1 5 1 原理 真空冷冻干燥技术是技术含量比较高、涉及知识面比较广的一种技术，也是一门 实验性很强的技术。 在冷冻干燥过程中，水是最常见的液相。因此以水为例说明冷冻干燥过程的原理。 图1 - 1 是冰、水、水蒸气的三相平衡相图。图中三相点对应的温度为2 7 3 1 6 k ，对应的 压力为6 1 1 7 p a 。当压力低于6 1 1 7 p a 时，冰可以在0 c 甚至以上时不融化为水，而是 直接升华成为水蒸气。同样还有很多液体也具有这样的性质。冷冻干燥过程正是基于 以上原理，首先将待干燥的物料冷冻，使物料中的液相冷冻结晶，然后在真空下使结 晶体升华，由于升华是一个吸热过程，它带走物料中的热量，因此冻结的物料在常温 下不致熔化。这就是冷冻干燥过程的基本原理。冷冻干燥是指通过升华从冻结的生物 产品中去掉水分或其他溶剂的过程。物质的状态由温度和压力决定，从水的物态三相 图及冰的饱和蒸气压图可以看出，固态的水和液态的水一样在不同的温度下都具有不 同的饱和蒸气压。并在低于其饱和蒸气压的真空下，水分即被升华。在冷冻干燥时， 通常所采用的真空度约为相应温度下的饱和蒸气压的1 2 1 4 。在压力低于三相点压 力p o 时，固态冰直接转化为气态称为升华【4 8 5 0 1 。 1 5 2 发展现状 2 7 3 152 7 3 1 63 7 3 1 5 t e m p e r a t u r eik 图1 - 1 水的相图 f i g 1 一lt h ep h a s eo fw a t e r 真空冷冻干燥法( 简称冻干) 是一种古老的现代技术，说它古老是因为冻干技术 诞生很早，早在1 8 9 0 年阿特曼( a l t m a n n ) 首次采用冻干法干燥生物体的器官和组织， 制成既能保持原来生物体的组织结构，又能长期贮藏的生物标本，供人们在显微镜下 观察，以便于学习和研究，实现了冷冻干燥技术在医学上的第一次应用。1 9 0 0 年沙克 尔( s h a c k e l l ) 开始使用冻干法干燥血清和细菌，经过9 年的努力，- 亍：1 9 0 9 年获得成功， 1 0 1 前言 并且在a m j p h y s i o l 上发表了他的冻干实验报告，这是冻干技术应用发表最早的论文。 1 9 1 1 年，d l h a r r i s 和l e s h a c k e l l 把狂犬病脑组织冻干；1 9 1 2 年，c a r r e l 最先提出采用 冻干技术保存器官组织，供外科移植使用的设想；1 9 2 1 年，h e s w i f l 提出了保存菌株 用的标准冻干方法。1 9 3 2 年，g e r s h 将真空设备引入到冷冻干燥技术中来，使之在生物 制品和药剂以及食品领域得到迅猛发展，冷冻干燥技术保存血浆和青霉素的生产更是 冻干工业开始的标志1 4 8 _ 5 们。 说它现代是因为它已经加入了现代高新技术领域的行列。但在材料制备领域的应 用研究直到最近二十年才兴起，特别是最近几年更是掀起了一股研究热潮，各种最新 的研究成果不断涌现。如今在超微金属粉末、超导材料、精细陶瓷、高能电池、催化 剂以及薄膜材料等领域，冷冻干燥技术都得到了广泛的应用。1 9 6 5 年，a l a n d s b e r g 首先采用冷冻干燥技术制备出金属超微粉末，d w h o h n s o n 和e k r o e h r i g 随后分别用 冷冻干燥技术制备了a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 粉末和碳化钨粉末。w e i 2 1 i n gl u a n 等分别采用冷冻 干燥对溶胶一沉淀法制备的粉体进行干燥处理，发现冷冻干燥能有效防止粉体中形成硬团 聚，提高烧结活性。d oy o o nk i m 等利用冷冻干燥法制备了f e ( ) ( c h 3 c o o ) 2 均匀分 散在玻璃基底上的纳米铁颗粒，并研究了碳纳米管在其上的生长特征，比较了冷冻干燥法 和传统干燥法生长的c n t 的均一性和密度【5 1 棚】。 1 9 9 8 年有人采用冷冻干燥法制备多孔材料i 删，近年来，采用冷冻干燥制备多孔材料 有一些进展，j i w o o n gm o o n 等采用冷冻干燥技术制备了一种具有放射状孔道结构的 n i o - y s z 管状材料，y o u n g - h a gk o h $ 1 j 备t n i y s z 金属陶瓷复合材剃6 1 j ，t a s s i l om o r i t z 6 2 j 等利用冰模板制备了多孔陶瓷复合材料，也有人以樟脑为溶剂制备多孔材料【娟j 。 1 5 3 应用前景 采用冷冻干燥法制备多孔陶瓷材料，基于冰在低压状态下直接升华而不融化的原 理，首先将分散好的陶瓷浆料注入所需形状的模具中，通过低温使冷冻浆料中的分散 介质冻结，然后脱模，将坯体进行低压干燥，使分散介质升华排出，得到干燥的坯体。 冷冻干燥法是通过陶瓷浆料中液相低温冻结实现浆料的固化得到坯体，工艺过程相对 简单；干燥时分散介质不经过液相阶段而直接升华排出，不仅可以减少缺陷的产生， 而且物料中的水溶性组分也不会由于干燥时液相的毛细作用而产生组分的偏析，保证 了材料化学组成的均匀分布；特别是分散介质结晶的形态使制备出的坯体的孔结构具 有较独特的特征。因此近几年来，该工艺引起人们的关注【6 7 】。 1 6 本课题的主要研究目的及内容 1 6 1 课题的研究目的 本课题基于骨组织工程学，在了解国内外关于制备多孔支架方法的基础上，提出采用 西安理工大学硕士学位论文 冷冻干燥法制备层状孔结构的