（材料加工工程专业论文）钙磷陶瓷微球的制备工艺研究.pdf

摘要 摘要 钙磷生物陶瓷具有优良的骨传导性和生物活性，是极具前景的骨修复生物材料，本 文以羟基磷灰石( h a ) 和b 磷酸三钙( b t c p ) 这两种目前应用最为广泛的钙磷生物陶 瓷为主要原料，添加明胶、( n a p 0 3 ) 6 和m g ( h 2 p 0 4 ) 2 为粘结剂制备浆料，采用一种新的 工艺方法一液滴冷凝法制备出粒径可控、尺寸均一、颗粒圆整的钙磷生物陶瓷微球。 研究了不同冷凝液对微球颗粒成型性的影响及微球颗粒粒径的控制方法，并对h t - 1 和 h 爪2 两种钙磷陶瓷微球的性能和组成进行了对比研究。最后，通过体外模拟实验，探 讨了微球作为缓释药物载体应用的可行性。 从冷凝液的密度、粘度、凝固点、稳定性、毒性以及与浆料之问的溶解性进行综合 比较，选择二甲基硅油作为冷凝液，成功制备了微球颗粒。对微球颗粒粒径的控制进行 了研究，导液管内径与微球粒径近似成三次多项式的关系，选用0 4 - - 0 8 m m 的导液管内 径，可以制备粒径范围为1 2 5 m m 的微球颗粒。研究了仅含明胶的h 爪1 和含明胶、 ( n a p 0 3 ) 6 和m g ( h 2 p 0 4 ) 2 的h t - 2 两种组成陶瓷微球的微观形貌、孔隙特征及相组成。研 究结果表明，烧结前，微球微观形貌呈现“外密内疏”的结构；烧结后，相比h 佴1 ， h t - 2 微球致密度得到提高，且微球孔隙之间贯通度好。h 门2 的开孔孔隙率、总孔隙率 和吸水率均低于h 下1 ，而闭孔孔隙率高于h t - 1 。h t 2 微球经8 0 0 烧结后，开孔孔 隙率最高，闭孔孔隙率最低，吸水率较高。两种微球物相的对比研究表明，( n a p 0 3 ) 6 和 m g ( h 2 p 0 4 ) 2 粘结剂的加入促进了h a 向f l - t c p 转化，产生的c a o m g o n a 2 0 p 2 0 5 体系 玻璃能降低微球的烧结温度。 体外实验研究表明，两种微球在不同的溶液中浸泡，失重率均较低，降解速度缓慢； 作为庆大霉素载体的药物释放性能结果显示，在模拟胃液中浸泡2 h 后，累计释药率均 在1 0 左右，随后，在模拟肠液中浸泡1 0 h ，h t - 1 和h 尼2 的累积释药率分别为4 9 8 和5 4 4 。 关键词：羟基磷灰石，b 磷酸三钙，液滴冷凝法，陶瓷微球，药物载体 a b s t r a c t a b s t r a c t c a l c i u mp h o s p h a t eb i o c e r a m i cw i t he x c e l l e n tb o n ec o n d u c t i v i t ya n db i o l o g i c a la c t i v i t y i so n eo ft h ep r o s p e c t i v eb i o m a t e r i a l sf o rb o n er e p a i r i n g h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) a n db t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ( b t c p ) a r et h et w ok i n dc a l c i u mp h o s p h a t eb i o c e r a m i c sm o s tw i d e l y u s e dc u r r e n t l y ak i n do fc a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i cm i c r o s p h e r e sw i t hh aa n d1 3 - t c p p o w d e r sa st h em a i nr a wm a t e r i a l sa n dg e l a t i n ，( n a p 0 3 ) 6a n dm g ( h 2 p 0 4 ) 2a sb i n d e rw a s f a b r i c a t e d ad r o p l e t - f r e e z i n gp r o c e s sw a si n t r o d u c e di n t h i sp a p e rf o r t h ep r e p a r a t i o no ft h e c e r a m i cm i c r o s p h e r e sw h i c hp o s s e s ss p h e r i c a ls h a p e ，a l m o s ts a m ed i a m e t e ra n dt h e i rs i z e s c o u l db ec o n t r o l l e dw e l l t h ee f f e c to fd i f f e r e n tk i n do fl i q u o rc o n d e n s a t eo nm i c r o s p h e r e f o r m a b i l i t ya n dt h ec o n t r o l l i n gm e t h o do fm i c r o s p h e r e sd i a m e t e rw e r es t u d i e d t h ep r o p e r t i e s a n dc o m p o s i t i o no fc a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i cm i c r o s p h e r e so fh i t 1a n dh t - 2w e r e c o m p a r e d i nv i t r oe x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dl a s t l ya n dt h ef e a s i b i l i t yo fa p p l i c a t i o no f m i c r o s p h e r e sa sa s u s t a i n e d r e l e a s ed r u gc a r r i e rw a sd i s c u s s e d d i m e t h y ls i l i c o n0 i lw a sc h o s e na sc o n d e n s a t ea c c o r d i n gt ot h ed e n s i t gv i s c o s i t y , f r e e z i n gp o i n t ，s t a b i l i t y , t o x i c i t ya n dt h es o l u b i l i t yw i t hc e r a m i cs l u r r y , a n dt h em i c r o s p h e r e s w e r ep r o d u c e ds u c c e s s f u l l y t h ec o n t r o l l i n gm e t h o do ft h es p h e r ed i a m e t e rw a s i n v e s t i g a t e d a n dt h ei n n e rd i a m e t e ro fd e l i v e r yt u b ea n dt h es p h e r ed i a m e t e rk e p tt ot h i r do r d e r p o l y n o m i a l m i c r o s p h e r e sw i t hs i z e sr a n g ef r o ml m mt o2 5 m mc o u l db ep r e p a r e dw h e nt h ei n n e r d i a m e t e ro fd e l i v e r yt u b ew a s0 4 m mt o0 8 m m m i c r o s t r u c t u r e ，p o r ec h a r a c t e r i s t i c sa n d p h a s ec o m p o s i t i o no fm i c r o s p h e r e so ft w oc e r a m i cs l u r r ys y s t e m sw e r es t u d i e d t h ec e r a m i c s l u r r i e sw e r eh t - 1c o n t a i n i n gg e l a t i no n l ya n dh t - 2c o n t a i n i n gg e l a t i n ，( n a p 0 3 ) 6a n d m g ( h 2 p 0 4 ) 2 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o r p h o l o g yo fm i c r o s p h e r e sw a s “d e n s eo u t s i d e a n dl o o s ei n s i d e ”s t r u c t u r eb e f o r es i n t e r e d h t - 2m i c r o s p h e r ew a sd e n s e rt h a nh t - 1s p h e r e a n d h a dw e l li n t e r - c o n n e c t e dp o r e sa f t e rs i n t e r e d t h eo p e np o r o s i t y , t o t a lp o r o s i t ya n dw a t e r a b s o r p t i o no fh t - 2m i c r o s p h e r ew e r el o w e rt h a nh t - 1 ，w h e r e a st h ec l o s ep o r o s i t yi sh i g h e r t h a nh t - 1 h t - 2m i c r o s p h e r e sh a v et h eh i g h e s to p e np o r o s i t y , t h el o w e s tc l o s e p o r o s i t ya n d t h eh i g h e rw a t e ra b s o r p t i o na f t e rs i n t e r e da t8 0 0 。( 2 t h eb i n d e r so f ( n a p 0 3 ) 6a n dm g ( h 2 p 0 4 ) 2 p r o m o t e dh a t r a n s f o r mt ob - t c pa n dt h ef o r m a t i o no fc a o m g o - n a 2 0 - - p 2 0 5s y s t e mg l a s s r e d u c e dt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo fm i c r o s p h e r e s i nv i t r oe x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tb o t ht h et w ok i n dm i c r o s p h e r e si m m e r s e di nd i f f e r e n t s o l u t i o nh a dl o ww e i g h tl o s s e sa n ds l o wd e g r a d a t i o nr a t e a sg e n t a m i c i nc a r r i e r , t h ed r u g r e l e a s ep r o p e r t i e sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec u m u l a t i v er e l e a s er a t ea r ea b o u t1 0 a f t e r2 h s o a k e di ns g f a n dt h ec u m u l a t i v ed r u gr e l e a s er a t eo fh t - 1a n dh t - 2a r e4 9 8 a n d5 4 4 w h e ni m m e r s e di ns i fi nl o h ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ，b - t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ，d r o p l e t f r e e z i n gp r o c e s s ，c e r a m i c m i c r o s p h e r e ，d r u gc a r r i e r l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：丝擅丝日期：色塑主丛 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名：丝监导师签名： 期： 第一章绪论 第一章绪论 在材料科学的发展中，生物材料与人类自身生活密切相关，其研究涉及医学、材料 和生物等学科领域，是发展最快、最受人关注的学科之一。生物材料走过了1 8 、1 9 世纪 漫长的探索阶段，在刚刚过去的2 0 世纪得到了飞速的发展，已经广泛应用于l 临床医学。 目前，生物材料的发展进入了一个新的阶段，赋予材料生物活性，使其植入体内后能充 分调动人体自体修复和完善的能力，从而实现损伤或病变组织、器官的永久修复成为研 究热点，研究和开发新一代生物材料生物相容性良好并可被人体逐步降解吸收的生 物活性材料己成为现阶段生物材料发展的重要方向。 生物陶瓷( b i o c e r a m i c s ) 属于无机生物材料，是指直接用于人体或与人体相关、具 有特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料。广义讲，凡属生物工程的陶瓷材料统称为生 物陶瓷【。 生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和力学相容性，与生物组织有优异的亲和性， 抗血栓，易于灭菌，物理、化学性能稳定，是生物材料的重要组成部分，根据在生理环 境中的生物活性可以将生物陶瓷分为生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物可降解陶瓷。 1 1 钙磷生物陶瓷 1 1 1 钙磷生物陶瓷研究进展 在生物陶瓷材料中，钙磷生物陶瓷( c a l c i u mp h o s p h a t eb i o c e r a m i c ) 是一类主要由磷 酸钙盐构成的生物材料，在化学组成和结构上与硬组织骨及牙相近，具有优良的骨传导 性、生物活性，常用作骨替代、增强和修复，己经在美容( 矫形) 、牙科、骨缺损修复等 领域被临床接受f 2 一 。 d a c u l s i 等报道，早在1 9 2 0 年，a l b e e 就首次成功地应用磷酸三钙( t r i c a l c i u mp h o s p h a t e t c p ) 进行了人体骨缺损的修劐5 1 。但随后5 0 年里，由于技术的限制，关于磷酸钙材料的 报道十分有限，一直到二十世纪七、八十年代，钙磷生物陶瓷在医学中的应用才真正得 到发展。戴红莲等报道，1 9 7 2 年，g r a v e s 对磷酸钙骨替换材料进行了研究和评价，提出 了可吸收骨替换材料的概念。而a o k i 和j a r c h o 成功烧结了羟基磷灰石，制得了羟基磷灰 石陶瓷，并在随后的研究中发现，烧结羟基磷灰石具有良好的生物活性，从此开始了生 物活性陶瓷发展的新纪元。1 9 7 3 年，d r i s k e l l 等报道了b c a 3 ( p 0 4 ) 2 多孔陶瓷植入生物体后， 能被迅速吸收，并发生了骨置换，称之为可吸收陶瓷( a b s o r b a b l ec e r a m i c s ) ，即生物可降 解陶瓷。随后几年的研究证明，磷酸钙基骨替换材料具有良好的生物相容性和生物活性， 植入体内后，可直接与宿主骨形成骨键合，使骨替换材料和骨之间产生紧密结合。1 9 8 6 年，n e v y 等首先使用了质量比为2 0 8 0 的h a b t c p 材料成功应用于动物牙周创伤的修复 1 6 j ，1 9 8 8 年，l e g e r o s 等人对h a b t c p 不同比例的材料进行了研究，并定义该材料即是 东南大学硕士学位论文 双相磷酸钙( b i p h a s i c c a l c i u mp h o s p h a t e ，b c p ) 7 1 。d a c u l s i 等对该类材料进行了深入广 泛的研究，最终使b c p 生物陶瓷作为牙科及整形外科修复材料实现了商品化，并被广泛 应用。李世普教授等研制成功了b t c p 生物可降解陶瓷，研究了这类生物陶瓷的降解速 率及降解机理，并将其成功应用于药物缓释载体、骨缺损充填等领域【8 】。 目前，钙磷陶瓷材料已成为无机生物医学材料中最重要、最有潜力的一类材料，引 起了生物材料学家和医学家的广泛关注，在硬组织修复和替代方面的应用范围正在逐步 扩大。 1 1 2 常用钙磷生物陶瓷 由于来源( 自然的或合成的) 及制备方法的不同，钙磷陶瓷在组成上也不相同，通常 根据其组成可分为以下几种： ( 1 ) 单相磷酸钙类：包括磷酸三钙( a c a 3 ( p 0 4 ) 2 或b c a 3 ( p 0 4 ) 2 ，a - t c p 或1 3 t c p ) ， 羟基磷灰石( c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o l - 1 ) 2 ，h a ) ，磷酸四钙( c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 ，t i c p ) ，磷酸氢钙( c a h p 0 4 ， d c p ) 、水合磷酸钙( c a h p 0 4 - h 2 0 ，d c p d ) 和无定形磷酸钙( a c p ) 等； ( 2 ) 双相磷酸钙( b i p h a s i cc a l c i u mp h o s p h a t e ，b c p ) ：由b t c p h a 按不同比例混合 而成，常见比例为2 0 8 0 、4 0 6 0 等； ( 3 ) 含钙磷的复合材料：降解型钙磷陶瓷( c a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c s ，c p c ) 可与 其它无机材料，如石膏、生物玻璃、铝、钛，以及有机材料，如胶原、环氧树脂、聚乳 酸、聚甲基丙烯酸等相混合组成复合物，例如生物玻璃磷灰石、环氧树脂羟基磷灰石、 胶原羟基磷灰石、聚乳酸化合物羟基磷灰石等。 在上述材料中，最常见的钙磷生物陶瓷材料是h a 和b t c p 。 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 是磷灰石的一种，其分子式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ， c a t p = i 6 7 。h a 晶体为六方晶系，晶格参数为a = b = 9 4 2 1 a ，c = 6 8 8 2 a ，属l 6 p c 对称型 和p 6 3 空间群，其结构为六角柱体【9 1 。羟基磷灰石是一种典型的生物活性陶瓷，是人体 骨骼、牙齿等硬组织的主要无机成分。根据推算，一个体重为6 0 k g 的成人骨骼中含有 约2 k g 重的h a 1 0 】。羟基磷灰石植入人体后，无毒、无排异反应，具有良好的生物活性 和生物相容性，与骨形成强的活性连接，能为新骨的形成提供支架并诱导新骨生长和形 成，是人体骨骼最理想的替代材料，可广泛应用于生物硬组织的修复和替换【1 1 , 1 2 l 。h a 的来源可以有三种：动物骨烧制而成，珊瑚( c o r a l ) 经热化学液处理转化而成和人工化 学合成法制备。从2 0 世纪7 0 年代开始，国际上很多研究者对h a 的制备、结构和性能 及其在医学上的应用，进行了较系统的研究，并取得大量研究成果。然而，羟基磷灰石 在体内降解缓慢，通常认为由其制作的实体材料在体内不降解，多孔材料会发生缓慢降 解，但速度过于缓慢。 磷酸三钙( t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ，t c p ) 是钙磷系统中另一个重要的化合物，广泛 用于制备烧结型生物陶瓷。t c p 存在a 相( 高温相) 和b 相( 低温相) 两个变体。a 相 的结晶为单斜晶，密度为2 8 6 9 c m 3 ，晶格常数a = 1 2 8 9 人b = 2 7 2 8 a ，c = 1 2 6 6 0 a 。b 相 2 第一章绪论 是六面体，密度为3 0 7 9 e r a 3 ，a = 1 0 3 2 人b = 3 6 9 a 。b - t c p 转变为a - t c p 的相转变温度 为11 8 0 ，在11 8 0 以下b t c p 为稳定相，在11 8 0 以上则a t c p 为稳定相。目前 生物活性陶瓷材料的研究与应用一般选择1 3 t c p 而非a t c p 。其主要原因为【1 3 】：( 1 ) 8 t c p 相的稳定温度更低，具有比a t c p 更高的生物活性；( 2 ) a - t c p 的溶解度过大， 植入人体后降解过快，导致人工骨材料不能较好地发挥作用；( 3 ) 烧结过程中，随着温度 的升高，t c p 由b 相转变为a 相时，体积增大，会使陶瓷发生膨胀，从而降低其力学性 能。 b 磷酸三钙具有良好的生物相容性、生物降解性、骨传导性并且无毒副作用，被视 为优良的骨修复材料。然而，1 5 - t c p 在体内的降解速度较快，在水溶液和体液中的溶解 度是羟基磷灰石的1 0 - 1 5 倍。在体内应用时材料的降解速度与新骨生长速度不匹配， 随着降解的进行材料强度大幅度下降，很难满足临床应用【1 4 j 。因此，结合羟基磷灰石的 生物活性和b 磷酸三钙的生物降解性制备生物陶瓷材料，通过调节h a b t c p 比例来控 制其降解速度，以满足临床应用的要求，这就是双相钙磷生物陶瓷( b c p ) 。双相磷酸钙 陶瓷的优点在于，相对稳定的羟基磷灰石相为新骨生长提供支架，而生物降解的b t c p 相能促进骨发生( o s t e o g e n e s i s ) 。 据文献报道1 1 5 1 7 】，2 0 世纪7 0 年代，n e r y 等将2 0 h a h n 8 0 b t c p 的混合物，即b c p 陶瓷成功应用于动物牙周创伤的修复。l eg e r o s 等人对不同b t c p h a 比例b c p 材料制备 与性能关系进行的研究表明，通过调节b t c p h a 的比例可以控制陶瓷材料的生物活性。 p i a t t e l l i 等利用b t c p h a 比为5 0 5 0 的b c p 进行了临床实验，发现其具有良好的生物相容 性和骨传导性。k u r a s h i n a 等将b - t c p h a 比为2 8 和7 3 的多孔双相钙磷陶瓷植入兔肌肉 内，6 个月后观察其成骨作用，发现只有1 3 t c p h a l 匕为7 3 的样品中有新骨形成。在上世 纪8 0 年代初，在j a r c h o 等人的努力下，h a 和b t c p 的混合物作为骨替换材料已经在牙科 和整形外科领域进入临床，但对其作用机理的研究一直在进行。2 0 世纪9 0 年代初的许多 研究表明，具有合适b t c p h a 比例及孔结构的钙磷陶瓷在一定条件下具有骨诱导性【1 8 】， g e r b e r 等的研究发现，b t c p h 队比为6 4 的双相钙磷陶瓷植入小猪体内有诱导成骨作用。 近年来，钙磷陶瓷作为药物载体，在药物的释放研究方面也取得了较大的进展。李 斌【1 9 l 将携带庆大霉素的多孔陶瓷( 成分为h a 和1 3 - t c p ) 植入兔体内，观察抗生素随时间 变化的释放过程。结果显示，携带庆大霉素的多孔陶瓷药物释放系统具有较好的体内释 放作用，可在局部维持较高药物浓度，为治疗慢性骨髓炎提供了一种新的方法。张启焕 2 0 j 等用注浆成形的方法制备以b t c p 为主晶相的多孔药物载体，体外测定了利福平的释 药速率，第一天药物的释放浓度j 2 蛭u 7 3 7 z g m l ，到第三天达到最大8 1 3 8 比g m l ，其后， 随着时间的推移，释药速率缓慢下降。但是，到第1 4 天时，药物浓度仍然高达6 7 o l ，,ugml 均高于利福平的最低抑菌和杀菌浓度o 0 5 t g m l 。从整个释放过程来看，药物释放比较平 稳，释药浓度能达到有效浓度，有利于骨组织病变的辅助治疗。 3 东南大学硕士学位论文 1 2 钙磷生物陶瓷颗粒 1 2 1 钙磷生物陶瓷颗粒的应用 钙磷生物陶瓷根据需要可制作成块状、柱状、颗粒状及粉末状【2 。一般情况下，骨 组织工程的支架材料用多孔块状，牙根种植体常用圆柱体，对于小的骨缺损，颗粒状材 料优势明显。作为药物载体，可选用圆柱状、颗粒状或多孔块体。临床上根据使用部位、 手术的不同要求进行选择。 自从1 9 6 7 年v a nw e z e l 成功地将微球球形颗粒作为细胞生长的三维支架应用以来 2 2 j ，有关微球颗粒的研究就受到了越来越多的关注。陶瓷微球颗粒( m i c r o s p h e r e ) - - 般指 粒径在5 0 n m 2 m m 之间的球体或近似球体，有实心、空心和多孔微球颗粒等形式。球 形颗粒的流动性好，堆积密度高，气孔分布均匀，易于获得显微结构均匀、性能优良、 一致性好的产品；而且球形颗粒由于是点接触，不易团聚，便于储存【2 3 1 。这些优异的性 能，使得微球颗粒的应用受到人们广泛的关注。目前，微球颗粒主要应用于骨缺损充填 及药物载体两方面。 ( 一) 微球颗粒作为骨缺损填充修复材料的应用 在骨科临床，骨丧失一些骨质而形成间隙的病例十分常见，这种疾病称为骨缺损， 可由多种因素引起，如创伤、骨肿瘤切除、骨组织炎症及先天性缺陷等。我国每年涉及 骨缺损疾病的患者多达数百万人。骨缺损部位的骨骼不完整，使其外形和功能出现缺陷， 不同程度上影响着病人的生活质量【2 4 1 。因此，研究、开发能应用于骨缺损充填修复的材 料受到了较多的关注。 颗粒状生物材料可作为骨缺损填充修复材料，用于牙根管、拔牙窝以及多种创伤和 手术造成的骨缺损充填，可缩短骨愈合时间，提高修复手术的成功率，其研究和应用已 经取得了较大的发展。在研制颗粒状骨修复材料方面，瑞士盖氏制药有限公司( g e i s t l i c h p h a r m aa g ) 进展显著，其产品b i o o s s 是一种来自小牛的松质骨天然衍生骨移植材料， 经过特殊工艺加工，将所有的有机成分彻底去除，而精细的骨小梁结构和内部空隙被保 存陋j 。b i o o s s 松质骨颗粒可以紧密地与周围的骨组织接触，有利于骨缺损处新骨的生 长。该材料有两种规格，松质骨小颗粒为0 2 5 l m m ，主要应用牙科在不大于2 个拔牙窝 的小缺损和骨修复中自体骨移植充填用；松质骨大颗粒为1 2 m m ，主要应用于大于2 个 拔牙窝的大骨量增加和上颌窦提升术( 见图1 - 1 ) 。 4 第一章绪论 ( a ) s m a l l g r a n u l e s ( 02 5 1 r a m ) o ) b i g g r a n u l c s ( 1 - 2 m m ) 图1 1b i m o s 淞质骨颗粒 h 9 1 1 t h es p o n g y b o n e g r a n u l e * o f b i o - 0 s s 近几年来，有关微球颗粒作为支架材料的报道有很多。钙磷生物陶瓷微球具有较大 的比表面积，有利于细胞的粘附可作为组织工程支架材料。它作为一个系统可以结合 骨传导性和骨诱导性能，从而通过一个充分形成的三维空间支架和生物学促进因素来增 强新骨的形成闭。 武汉理工大学生物材料与工程研究中心研制出了两种颗粒，一种是b - t c p 人工合成 骨白色多孔颗粒 2 p 1 ，由高纯、超细b - t c p 及少量生物可降解添加剂组成，其粒径为 1 2 - 5 0 m m ( 图1 2 ( a ) ) ，适用于修复骨结核、良性骨肿瘤或瘤样病变及股骨头缺血性坏 死骨刮除后所致的骨缺损：另一种是h a 多孔陶瓷颗粒洋i ，由8 0 - 9 5 的h a 和5 - 2 0 的生 物活性玻璃组成，其粒径为02 5 1 5 7 r a m ( 图1 2 ) ，适用于牙根管和拔牙窝的充填、 牙周病所致牙槽骨吸收的修复、牙槽嵴增高、颌骨骨囊腔填塞、萎缩性鼻炎充填、乳突 腔充填、整形( 如鞍鼻美容) 及以人体骨骼其它部位的骨缺损充填。 ( 8 ) t h e p o r o u s g r a n u l e s o f b - t c p蚴t h e p o r o u s g r a n u l e s o f h a 图1 0 多孔陶瓷颗粒 f i g 1 - 2 t h e p o r o u s c q “c g r a n u l e s h s u 等1 2 9 】制各了羟基磷灰石与再生胶原的复合微球颗粒，这种复合微球颗粒用作造 骨细胞生长的支架，七天内，造骨细胞从1 5 x 1 0 5 增加到45 x 1 0 5 + m l 。w c n g 等1 3 q 采用等 离子喷雾法获得了球形的钙磷陶瓷颗粒，并将这种球形颗粒与聚乳酸( p l l a ) 相混合 制备了多孔的c a - p p l l a 复合微球。模拟体液浸泡试验证明，等离子喷涂的c a p 陶瓷颗 粒能够促进骨样磷灰石在c a - p p l l a 复合支架的孔隙表面的形成。 ( 二) 微球颗粒作为药物载体的应用 钙磷多孔陶瓷微球颗粒可作为靶向给药系统的缓释载体。采用生物陶瓷活性材料制 东南大学硕士学位论文 成的载药微球，可以提高药物的稳定性，实现药物的控释或缓释，从而提高药物的疗效， 减少药物对正常组织的毒副作用。多孔钙磷生物陶瓷微球颗粒可作为抗生素、抗菌素、 胰岛素、肝素等药物的缓释载体【3 1 j ，将药物吸附在其孔隙中，进入体内后，随着材料的 降解，治疗剂量的药物持续释放进入血液及周围组织中，为临床缓释药物治疗提供了具 有良好生物相容性的载体。 p a u l 等1 3 2 j 将多孔的羟基磷灰石陶瓷微球作为输送胰岛素的载体用于治疗糖尿病，并 且在其表层涂敷了一层聚乙烯基醋酸共聚物用于控制药物释放的时间。然而由于纯羟基 磷灰石在人体内很难发生降解甚至几乎不发生降解1 3 引，因此后续的研究更倾向于使用羟 基磷灰石和磷酸三钙混合的陶瓷微球作为药物释放的载体。p a u l 等【矧将羟基磷灰石与壳 聚糖在分散介质中采用分散聚合的方法制备了直径在2 0 0 10 0 0 肛m 之间的复合微球，经 11 0 0 高温烧结后得到多孔羟基磷灰石微球，并将其作为蛋白质等大分子药物的载体， 在6 0 天内持续释放，缓释效果显著。在聚合物的药物输送体系中，药物的释放速度可以 由其结构的交联密度所控制，但在h a 体系中药物的释放速度却难以控制。为此，k o m l e v 掣3 5 j 利用悬浮聚合法，制得了粒径范围在5 0 - 20 0 0 t i n 的多j ：l h a 微球体，用这种方法制 备的微球，最大孔隙率达至l j 4 3 v 0 1 ，表面孔隙的尺寸较小，降低了药物在多孔微球中的 扩散系数，从而有效的延长了药物的释放时间。 应用微球作为药物载体虽然取得了一些成果，但也存在着药物的突释现象以及不同 应用环境下药物释放的稳定性问题，如l a m b o t t e 将载有庆大霉素的b t c p 微球植入到鼠 体内作为可吸收性药物载体，结果表明药物在植入2 天后就释放完全1 3 6 】；一些口服用药 需要在肠液中释放才能达到一定的治疗效果，但口服药需经过胃液，由于胃壁肌肉的蠕 动会导致药物的突释；同时，由于胃液的酸性环境，导致药物还没有达到肠液就已经失 效。因此，微球作为药物载体的应用，很多研究工作还需继续深入。 1 2 2 颗粒状材料的制备方法 颗粒状材料有多种制备方法，按成型和干燥方法分，有乳化化学交联法、乳化溶 剂蒸发法、等离子体熔融法、溶胶凝胶法和喷雾干燥法等方法。 ( 一) 乳化化学交联法 该方法是利用乳剂中带有氨基的高分子材料易和其他化合物的相应活性基团发生 反应的特点，交联制得微球颗粒。高分子材料主要是明胶、淀粉、壳聚糖等，交联剂主 要是不同浓度的戊二醛溶液，浓度根据溶液的使用性能而定。这些高分子材料与钙磷陶 瓷粉末复合，制备的微球仍保持了良好的生物相容性和生物活性，是目前微球颗粒制备 较常用的方法。 t e n g 等a t 3 7 】采用w o 乳液法以乳化的凝胶滴作为微反应体系和胶体保护介质制备 出粒径范围为4 1 2 # m 、平均粒径为7 5 # m 的h a p 咬原复合微球，此微球具有高度连通的 多孔结构。w u 等p 8 j 用w o 例双乳液法制备了粒径分布范围为o 6 2 0 a m 、平均粒径为3 枷n 的h a 胶原微球，微球成型后加入戊二醛交联使其具有一定的机械性能，同时微球上的 6 第一章绪论 微孔有利于造骨细胞的生长和骨化。p a u l l 3 4 1 等人采用乳化化学交联法制备出了粒径范围 为2 1 2 10 0 0 t m 的羟基磷灰石球形颗粒。s i v a k u m a r 等人【3 9 】采用乳化化学交联法制备出 了珊瑚来源的羟基磷灰石壳聚糖复合微球。h s u l 2 9 】等人将胶原和h a 以一定比例混合配 制成混合溶液，滴加到橄榄油中，采用戊二醛作为交联剂进行交联，最终得到姒肢原 微球，采用该法制备微球，其粒径受搅拌速度控制。当搅拌速度分别为2 0 0 r p m 、3 5 0 r p m 、 5 0 0 r p m 时，得到的微球粒径分布范围分别为7 5 0 12 0 0 t m 、3 0 0 7 0 0 t m 和7 5 3 0 0 【m ，可 见即使应用相同的搅拌速度，粒径分布差别也较大。 乳化化学交联法工艺设备简单、易操作，通过乳化使微球能够很好的分散在有机 物中，避免了微球的团聚，并且获得了有利于造骨细胞生长的微孔结构，但是该法制各 的微球颗粒粒径范围分布大，并且仅适合于有机物占主要成分的小粒径复合微球颗粒的 制备。 ( 二) 乳化溶剂蒸发法 本方法的基本原理是将不相混溶的两相通过机械搅拌或超声乳化方式制成乳剂，通 常将材料单体溶于可挥发且在水中可适当溶解的有机溶剂中，随后的处理中溶剂相挥发 除去，成球材料析出并固化形成微球，此法又称为液中干燥法【柏1 。常用于聚乳酸( p l a ) ， 聚乳酸乙醇酸共聚物( p l g a ) 等a 羟基酸类微球的制备。 该法必须对有机溶剂种类、乳化剂、乳化温度和溶剂挥发的温度等进行多项筛选工 作，以制备合乎要求的微球。因而工艺比较复杂，多用于药物载体或靶向定位药物微球 的制备。 ( 三) 等离子体熔融法 等离子体熔融法是将材料( 粉体) 加热到熔化或半熔化状态，在表面张力的作用下， 形成球形颗粒，喷入到淬冷剂中形成最终颗粒产品【4 。 。 吕宇鹏【4 2 l 等采用等离子体熔融法制备出了钛与羟基磷灰石混合颗粒，该混合物颗粒 主要由晶相和非晶相h a 、分解相磷酸三钙( t c p ) 和磷酸四钙( t t c p ) 以及t i 的化合 物所组成。通过s e m 观察到，蝴粒直径均在3 吮m 以上，而t i 颗粒的直径一般在2 0 t i n 以下。反应中，由于t i 的存在，加剧了h a 的分解。w e n g 3 0 】等将高结晶态的羟基磷灰石 颗粒等离子体熔融后喷入水中，获得了表面光滑的c a p 球状粒子，并将这种球形粒子与 p u a 相混合制备了多孔的c a p p u a 复合微球。 等离子体工艺制备陶瓷颗粒，通过温度、压力、反应物浓度及淬冷等参数的调节， 可以实现对颗粒粒径分布范围及形貌的控制。由于等离子体对反应物的选择可以是气、 液、固相，因此，可根据不同应用要求，制备球形、空心、多孔的颗粒材料。 ( 四) 溶胶凝胶法 溶胶凝胶法制备微球颗粒是湿化学反应方法之一，所用的起始原料( 称为前驱物) 为无机盐或金属醇盐，其主要反应步骤是前驱物溶于溶剂( 水或有机溶剂) 中形成均匀 的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，生成物聚集成l n m 左右的粒子组成溶胶，经 蒸发干燥转变为凝胶。基本反应原理如下1 4 3 j ： 7 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 水解反应：水解反应分为前驱物金属盐能电离的金属阳离子的水解反应： m ”+ n i l 2 0 呻m ( o h ) 。+ n i l + 和前驱物非电离式分子的水解反应： m ( o r ) 。+ x h 2 0 - m ( o h ) ，( o r ) + x r o h 前驱物非电离式分子的水解反应可延续进行，直至生成m ( o h ) n 。 ( 2 ) 缩聚反应：缩聚反应可分为失水缩聚： 一m o h + h o m - 一m o m + h 2 0 和失醇缩聚： 一m o r + h o m 一m o m + r o h 反应生成物是各种尺寸和结构的溶胶粒子。 溶胶凝胶法的基本工艺过程如图1 3 所示【删。 厂、 金属醇盐 1 竹，山 t i n r l q t - - ， 一一j 上l _ 1 一热处理j i 冻化f 1 干燥- f 干凝胶1 j 溶剂( 水- 希y 机溶剂)r v j 溶胶t ： - i 湿凝胶 7 【一“”一 r i r -u ， 【 催化剂( 溶胶剂) 图1 - 3 溶胶凝胶法基本工艺过程 f i g 1 - 3b a s i cp r o c e s so fs o l - g e lm e t h o d 溶胶凝胶法在凝胶干燥和烧结过程中，凝胶中的胶粒经缩合和聚集形成多孔结构 的微球颗粒。溶胶凝胶法主要是通过控制体系的溶剂、陈化时间和煅烧温度等因素来 控制微球性能。1 9 9 6 年，曾庭英【4 5 j 等以水玻璃为原料，用溶胶凝胶法制备纳米级微孔 s i 0 2 玻璃球，研究得出溶胶中s i 0 2 浓度大则孔径小，干燥温度高则孔径大的结论。2 0 0 2 年，黎先财等【舶j 用该方法制备纳米球形b a t i 0 3 ，并研究了溶剂、温度、p h 值和水解用 水量对颗粒性能的影响。 溶胶凝胶法制备颗粒的优点是【4 7 】反应温度低、反应过程易于控制、制品的均匀度 和纯度高，而且工艺简单，设备需求不高。目前，该法在工业上主要用来制备氧化物陶 瓷颗粒，所得颗粒从核燃料如u 0 2 、t h 0 2 到一般氧化物如砧2 0 3 、z r 0 2 、t i 0 2 、c a o 等。 ( 五) 喷雾干燥法 喷雾干燥法是利用雾化器将料液通过喷嘴或离心转盘喷出，分散为细小的雾滴，并 在热干燥介质中迅速蒸发溶剂形成干燥颗粒的过程( 图1 4 ) 【4 8 】。 8 第一章绪论 雾化 样品溶液 。 球形雾滴 料液浓度高，雾滴小， 雾滴内颗粒小 料液浓度低，温度高， 气流速度快 或 变形颗粒 图1 _ 4 喷雾干燥法制备微球颗粒的示意图 f i g 1 - 4m e c h a n i s mo ft h ep r e p a r a t i o no fm i c r o s p h e r e sb yt h es p r a yd r y i n gm e t h o d 喷雾干燥法已成功用于陶瓷微球的制备，如m i z u s h i m a l 4 9 j 通过喷雾干燥法制备出可 注射的多孔羟基磷灰石微球颗粒( s p h a ) ，直径约5 a m ，孔隙率5 8 ，可作为药物载体， 并对s p 喇球作为干扰素和各类激素等药物载体的使用性能进行了研究。将药物注射 到皮下组织后，s p h a 微球发生降解，降解速度可通过煅烧温度进行调节。 喷雾干燥技术需要专用的设备，一般是由雾化器( 喷头) 、干燥塔、进出气及物料 收集回收系统等组成，因而生产成本较高，并且喷雾形成的微球粒径分布范围较宽，产 品利用率低，不利于微球工艺的探索性研究。 1 3 课题研究目的、方法 以上微球颗粒制备方法都存在一定的局限性。乳化化学交联法和乳化溶剂蒸发法 制备陶瓷微球颗粒的成型性较差，因为无机物浆料表面张力小、密度大，在有机溶剂中 乳化成微球体较为困难。溶胶凝胶法所用原料多为有机化合物，成本较高，有些对健 康有害；处理时间较长，制备的微球易产生开裂。等离子体熔融法和喷雾干燥法需专用 的成型设备，且喷雾干燥法容易形成蘑菇状或畸形颗粒。同时，上述制备方法普遍存在 着粒径分布范围较大的问题。粒径大小不均一，应用时需要经过筛选，降低了颗粒产品 的利用度，同时这些方法也不利于钙磷陶瓷材料微球颗