（材料学专业论文）生物医用纳米复合材料的制备与性能评价.pdf

中文摘要 纳米技术在9 0 年代获得了突破性进展，在生物医学领域的应用研究也不断 得到扩展，生物医用纳米复合材料成为了当前研究热点之一。本文对羟基磷灰石 细菌纤维素( h a p b c ) 和尼龙6 粘土( n y l o n6 c l a y ) 两种生物医用纳米复合 材料的制备和性能进行了研究。利用柠檬酸( 简称c a ) 和b c 之间的氢键结合 作用以及c a 分子上羧基与钙离子的螯合作用，采用c a 诱导法应用仿生矿化原 理制备了复合材料。利用s e m 、，s 、x 】m 和t e m 测试对该复合材料的微观形 貌和晶体结构进行了表征。同时对磷化改性制备的地却b c 复合材料的热力学方 面性能进行了表征，考察h a p 对基体b c 热力学性能的影响。本文还研究了n y l o n 6 c l a y 纳米复合材料的吸湿行为，并讨论了吸湿前后复合材料力学性能的改变。 实验结果表明，h a p 可以在经c a 改性的b c 基体上成核并且不断长大。 地郇倡c 复合材料中的仿生磷灰石层为缺钙的h a p 且具有低的结晶度，与人体 骨中的无机相相似。通过t g a 、d s c 和d m a 对磷化改性制备的h a p b c 纳米 复合材料进行了热力学表征。t g a 结果表明，h a p b c 复合材料的起始分解温度 向高温区移动，纳米复合材料的热稳定性在一定程度上由于沉积相h a p 的加入 有所提高。d s c 结果表明，在基体b c 分解的温度范围区间内，纳米复合材料存 在着复杂的吸热放热反应，这是由复合材料中形成的结晶度低的碳酸化h a p 所 引起。d m a 结果表明，复合材料的储能模量与纯b c 相比有明显提高，说明复 合材料中沉积相h a p 对b c 基体有弹性增强作用；h a p 限制了b c 高分子链段 的移动性，纳米复合材料的玻璃化转变温度与b c 相比有所提高。 n y l o n6 c l a y 纳米复合材料的吸湿扩散系数随着粘土含量的增加而减小。粘 土的加入对尼龙6 的拉伸强度影响不大，但可以提高材料的杨氏模量。吸湿后尼 龙6 及其复合材料的拉伸强度和杨氏模量均降低。 关键词：细菌纤维素，羟基磷灰石，尼龙6 ，粘土，纳米复合材料 a b s t r a c t g r e a tb r e a l c = m r o u 曲a c h i c v e m e n t sw i t l l 姗o t e c h o n o l o 纣i nm e9 0 sh 觞b e e n 印p l i e di nt l l eb i o m e d i c a lr e s e a r c hf i e l di nr c c ty e a r s ，锄dn a n o c o m p o s i t e sa s p r o m i s i n gc a n d i d a t e sf 0 rb i o m e d i c a lm a t e r i a lb e c o m eo f 伊e a ti n t e r e s t f a b r i c a t i o n 锄dp r o p e 啊e v a l u a t i o no fh y d r 0 x y 印a t i t e b a c t c r i a lc e l l u l o s e ( m 叫b c ) 锄dn y l o n 6 c i a y 删1 0 c o m p o s i t e s w e r e 讪e s t i g a t e d i nm c p r e s e n ts t u d 【y h | a p b c 呦o c o m p o s i t e sw e r e 伍b r i c a t e du s i n gac i 仃i ca c i d ( c a ) i n d l l c i n gm e m o dv i at l l e b i o l n i m e t i cr o u t e ，蛐t 1 1 ea d v 锄t a g e0 f h y d r o g 铋b o n d i n g0 fc at 0b c 粕di t s c h e l 地ga b i l i 够o fc a l c i u m i o n s 1 1 1 ef a b r i c a t e d h a p b cc o m p o s i t c s w e r c c h a r a c t e r i z e d b ys e m ，x p s ，锄dt e m t h e 衄a lc h a m c t e r i z a t i o n so f m 卸p h o s p h o r y l a t e db cn 锄o c o m p o s i t e sw e r ep e r f o m e dl l s i n gt g a ，d s c 锄d d m ai no r d e ft 0 i n v e s t i g a t e t t l ec o m p o s i t i o n s ，t 1 1 锄a 1s 乜i b i l i 妣锄ds o m e t l l e m 睁m e c l l a n i c a lb e h a v i o 娼o ft h en a n o c o i n p o s i t e s m o i s t u 】哈a b s o l l p t i o nb eh a _ v i o ro f n y l o n6 c l a y 啪o c o m p o s i t e s 趾d “si n n u e n c e s0 nm e c h 觚i c a lp r o p e n i e sw e r ea l s o i n v e s t i g a t e di i l 血i ss t u d y t h ee x p e r i i n e n t a lr e s u l t ss h o w 也a tm 呻n u c l e i sc 龃b ef 0 衄e d0 nb cm a t r i ) 【 舡l dc o n t i 肌et 0 目0 w i a pi nt l l en 觚o c o i n p o s i t e si sc a l c i u md e f i c i e n t ，w h i c hi s s i m i l a rt 0t 1 1 en 狐珊lb o n e t h e m a lc h a r a c t e r i z a t i o 璐o fh 卸b c n o c 6 玎叩o s i t e s h a v eb e 锄c o n d u c t e du s i n gt g d s ca n dd m a t h et g ar e l t s 锄g g e s tt h a t t h 锄a l ( 1 e c o m p o s i t i o no fb cm a 仃i xi nt h eh a p b c n o c o m p o s i t e ss t a 】鸭a tl l i g h e r o n s e tt 唧e 均t i l r e s t h et h e 加1 a ls 协i l 时o ft l l en a n o c o m p o s i t e si se n h a n c e dt 0a c e n a i l le x t e n tb y 也eh y d r o x y 印a t i t e t h e m l a lb e h a v i o r ss h o wd i s c r 印锄c yb e 觚e e n b ca n d “sn 锄o c 伽叩o s i t e s 舶mt h e 抛c dd s cc u r v e s ，嘶t hc 伽叩l e xe x o m e 咖i c 锄de 1 1 d o t l l 倒cr e a c t i o 珊d 砒i n g 廿1 ed e c 伽叩o s i t i 锄o fb c ，r e s u l t i n g 舶mt h e a d d i t i o no fh y d r o x y 印a t i t ei nm en l a t 血t h ed m ar e s u l t sd e m o n s t r a t et h a _ tm 郇h a s as 臼o n gr c i n f o r c i n ge a e c to nt 1 1 ee l a s t i cp r o p e n i e so ft 1 1 eb cm 撕x m o r e o v e r t l l e g k s 仃觚s i t i o nt 唧e r a t u r e ( 硇o fh a p b cs h i f i ss l i 出l yt 0ah i 曲e rt e m p e r a t l l r e c o m p a r e dt 0t h a to fp u r eb c ，w h i c hc a nb e 嬲c r i b e dt 0m ed e c r c 觞e dm o b i l i 够o ft h e b cp o b h n e rc l l a i 璐，d u et 0t 1 1 er e i n f o r c e m e n t0 fh y d r o x y a p a t i t ec o v e r i n go nm e c e l l u l o s em i c r 0 - f i b r i l si nm e 加n o c o m p o s i t e 耽ed i f f i j s i v 时o fn y l o n6 c l a yn a n o c o m p o s i t e si sd c c r e a s c dw i m 妣豫髂i n gc l a y c o n 劬t ，w h i c hc o u l db ee x p l a i n e db yt h e 锄饥o l l sp 砒m o d e l c 1 a yc o n t e n td o e s n t a a e c tt l l et e n s i l es 仃e i l g t l lo f 拢m 0 c o m p o s “e sm u c h ，b u tc a nc o n t r i b u t et 0t h ei n c r e a s e o fy 吣sm o d u l l l so fn 粕o c o m p o s i t e s m o i s t i 】r ea b s o 印t i o nh u g e l yd e c r e 嬲e s m e c h 锄i c a lp r o p e n i e so fn y l o n6 c l a yn 锄o c o m p o s i t e s yw o r d s ： b a c t c r i a l c e l l u l o s e ，h y d r o x y a p a t i t e ，n y l o n6 ， c l a y ， n 甜l o c o m p o s i t c 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，也不包含为获得垂鲞叁堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：獬签字同期：汐呷年溯7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘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印件和磁盘。 ( 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： 签字r 期：7 叼年g 月f 闩 导师签名力名、争 签字同期：加，7 年孑月；同 ， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 纳米复合材料( n 锄o c o m p o s i t e s ) 的概念是8 0 年代由r - 0 y 和k d 啪e n i 提出 来的【1 1 。与单一组分的纳米结晶材料和纳米相材料不同，它是由构成复合材料的 两相( 或多相) 微观结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级尺寸( 1 1 0 0n m ) 的材料。由于纳米复合材料的结构单元或尺寸为纳米数量级，自由表面( 界面) 显著增多，各纳米单元之间存在相互作用，这些特点使纳米材料具有一些独特的 效应，包括小尺寸效应和表面与界面效应等【2 l 。 纳米复合材料中由于纳米分散相大的比表面积和强的界面相互作用所产生 的纳米效应，使其不但表现出不同于一般宏观复合材料的性能，还可能具有原组 分不具备的特殊性能和功能，因此在制备高性能、多功能材料方面具有十分广阔 的前景。 1 2 细菌纤维素及其性质 1 2 1 细菌纤维素 细菌纤维素是由部分细菌产生的一类高分子化合物是微生物细胞外大分子 物质的代表，是初级代谢的特定产物，最早由英国b r o w n 在1 8 8 6 年发现【3 】，他 在静置条件下培养醋杆菌时，发现培养基的气液表面形成一层白色的凝胶状薄 膜，经过化学分析，确定其成分是纤维素。为了与植物来源的纤维素相区别，将 其称之为“微生物纤维素 或“细菌纤维素”。本课题组所制备的细菌纤维素的 宏观照片如图1 1 所示。 能产生纤维素的细菌种类较多，常见的有醋杆菌属( a c e t o b a c t e r ) 、根瘤菌属 ( r h i z o b i 呐、八叠球菌属( s a r c i i l e ) 、假单胞菌属( p r e u d o m o n 嬲) 、固氮菌属 ( a z o t o b a c t e r ) 、气杆菌属( a e r o b a c t 哪和产碱菌属( a l c a l i g c u c s ) 。其中木醋杆菌( a x ) 是最早发现也是研究较为透彻的纤维素产生菌株，可以利用多种底物生长，是目 前已知合成纤维素能力最强的微生物菌株。 天津大学硕士学位论卫第一章绪论 田l lb c 的老剧照片 f 1 一lm s 咖c t i l r ep h o mo f b c 术醋杆菌的纤维素台成过程大致可以分为4 个步骤即：第一步，葡萄辅在 葡萄糖激酶的作用下转化为6 磷酸一葡萄糖：第二步6 - 磷酸一葡萄精在异构酶的 作用下转化为1 一磷酸葡萄糖：第三步，1 - 磷酸- 葡萄糖在焦磷酸化酶的作用下生 成尿苷二磷酸葡萄糖( u d p g ) ；第四步，在细胞膜上，通过纤维素合成酶的催化 作用，将i j 】) p g ( 纤维素的直接前体物质) 合成为b l ，4 一糖苷键链，然后再聚合成 纤维素。果糖在激酶、磷酸化酶和异构酶等的催化作用下转变为6 一磷酸葡萄糖 后同样依照上述步骤参与细菌纤维索的台成m l 。 自从b r o w n 发现静置培养产生的细菌纤维素后，开始有很多将细菌纤维素 转变为商业化产品的研究。至今细菌纤维素最广泛的应用是菲律宾的一种本土 食物，称为n a 诅d em 这种食物是在椰子水培养基中发酵为厚度为1 锄的细 菌纤维素膜，然后将纤维素膜切成立方体，浸在糖浆中，最后包装销售。细菌纤 维素还可以用作e 伤敷料川和高品质耳机的音响膜吼 细菌纤维素的其他应用还有：含细菌纤维素的导电碳膜：用作银行发行纸币 和圣经用纸的高质量纸张【8 j ；过滤膜：助分散剂；稠化剂；富舍纤维食物；改善 高分子强度的复合材料；医药品和化妆品_ 】；涂层材料用于增强疏水性高分子材 料的亲水性i 】。 】2 2 细菌纤维素的独特结构和特性 细菌纤维素的化学结构与天然植物纤维素结构非常相似，属于典型的多糖， 都是由葡萄糖以b 1 ，4 - 糖苷键连接而成的高分子化台物，在葡萄糖苷结构单元 中，c - 2 、c 3 、c 6 都连有羟基，可以进行官能团反应，也能与水形成氢键。 b c 具有致密的三维网状结构，这些网状结构靠大量的氢键来支撑。b c 由独特 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 带状纤维构成，而且每一带状纤维又由很多微纤维构成。其直径远小于其他天然 和人工纤维的直径。 组成细菌纤维素的单元一原微纤维( 直径为1 5n m ) 是由若干个p 1 ，4 葡聚 糖结合而成的三重螺旋结构。这些原微纤维聚集形成微纤维( 3 6n m ) ，微纤维 进一步聚集成带状结构的束状组装纤维( 4 0 6 0 衄，与胶原纤维束尺寸相当) 。 原微纤维为非结晶状态，细菌纤维素的结晶在原微纤维的聚集过程中进行【l2 1 。 细菌纤维素有许多独特的性质，如：b c 是一种“纯纤维素”，化学纯度和结 晶度很高，不含木质素和半纤维素，因此提纯十分简单。与植物纤维素相比， b c 是由超微纤维组成的超微纤维网，其超微纤维直径因为植物纤维的1 1 0 0 ，且 具有很高的杨氏模量，并且抗张强度高。据文献报导，b c 微纤维的杨氏模量高 达1 3 8g p a ，拉伸强度超过2g p a ，与k e v l 盯纤维相卦”】。 b c 有很好的透气性、透水性、持水性，未干燥b c 的持水量达到1 0 0 0 【1 4 j 。 由于构成b c 网状结构的是微纤维，不是分子链段，所以干燥后b c 的再次吸水 膨胀不能恢复到干燥前的水平。有研究发现在培养基中加入可溶性高分子聚合物 可提高b c 复合材料在未干燥情况下的水结合能力以及冷冻干燥后的再吸水膨胀 能力【1 5 】。b c 也具有极好的可塑性和抗撕拉能力。除此以外，b c 有较好的生物 适应性和良好的生物可降解性，生物合成易于调控，采用不同的培养方法，如静 态培养和动态培养，利用醋酸菌可以得到不同高级结构的纤维素。 1 3 细菌纤维素在生物医学方面的应用 生物相容性是指材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理及化学 反应。植入人体的生物材料必须无毒、无致敏性，对组织、血液和免疫等系统不 产生不良反应。生物相容性是任何医用生物材料首先要考虑的重要问题。至今为 止，已经有一些研究用于评价b c 的体内生物相容性。 锄等将b c 以中空管的形式作为老鼠颈动脉的插入段植入其体内，研究 结果表明b c 具有良好的生物相容性【1 4 1 。最近，在h e l e n i u s 等系统的研究中， b c 被植入老鼠体内，利用组织免疫化学和电子显微镜技术，从慢性炎症反应、 异物排斥反应以及细胞向内生长和血管生成等方面的特征来评价b c 作为植入物 的体内相容性【1 6 1 。分别经过1 ，4 和1 2 周的植入周期后，植入体周围没有可见的 炎症现象及巨型细胞。纤维原细胞渗透入到与宿主机体较好结合的b c 中，没有 引起任何慢性的炎症反应，并且在植入的纤维素的周围和内部发现新血管的形 成。他们的研究结果表明，大多数纤维原细胞可以显著地渗透进入b c 膜多孔的 一侧，b c 具有好的生物相容性且具有应用于组织工程支架方面的潜能。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 细菌纤维素作为皮肤修复材料 过去的研究表明，b c 的物理及力学性质可以满足其作为皮肤烧伤修复的生 物医用材料的要求【7 ，1 7 】。理想皮肤替代物的特性与b c 膜的性质之间的联系如表 1 1 所示【1 7 1 。 b c 用于治疗烧伤方面的医学应用是最早由j 0 1 1 1 l s 册& j o l l i l s o n 开发研究并有 了成功用于治愈烧伤、烫伤及皮肤移植的例子【1 8 19 1 。f o n t 锄a 等 2 0 】的研究于1 9 9 0 年第一次指出，b c 可以作为暂时皮肤替代物治疗皮肤烧伤并吸收分泌物及含血 组织。至今为止，b c 的医用商品已经出现了很多。b c 的医用商品b i o f i l l 可以 作为一种有效的用于治疗皮肤烧伤及组织缺损的皮肤移植物。它由干燥的b c 膜 制成，允许气体渗入而不允许液体的进入，在治疗三度烧伤、溃疡及褥疮时显示 出良好的效果口1 五3 1 。b i o p r o c e s 是b c 的另一种治疗牙周疾病的商业产品【2 4 】。 x c e l l 是x v l o s 公司生产的治疗皮肤烧伤的伤口敷料，它可以维持一个良好的治 疗过程所需要的平衡的潮湿环蝌7 1 。g e n g i f l e x 与b i o f i n 相似，它是由两层b c 膜 制成的，经过碱处理的外层b c 膜粘结在结晶内层b c 膜上，可用于治疗牙周组 织疾病【2 4 j 。 。 b c 作为皮肤替代材料的优点在于不但可以灭菌，而且还具有良好的生物相 容性、多孔透气、弹性、易于吸收渗出物等特性，且能够提供最适的湿度，这对 于伤口的快速愈合是非常重要的。另外，它还能够保护伤口免于二次感染及机械 损伤，且不会黏附到新生组织上。 一些经过挑选的具有生物活性的多糖可以在b c 生物合成过程中引入对b c 进行改性。例如，c i e c h 吐s l 【a 等研究了b c 壳聚糖复合材料的结构与性质l _ 2 5 】。壳 聚糖的引入可以提高力学性能。改性过后的b c 的水分释放过程比纯b c 膜要长， 可以用以维持合适的易于伤口愈合的潮湿环境。根据他们的研究，壳聚糖经酶降 解后的降解产物表现出抑制细菌和杀菌的作用，这对伤口愈合很有帮助。 w i e g 嬲d 等将i 型胶原与b c 进行原位复合，通过在b c 膜中引入i 型胶原， 从而提高b c 在治疗慢性伤口方面的应用表现【2 6 】。他们的研究结果表明，b c j 按 原复合材料比纯b c 作为慢性伤口敷料更有效，并可以减少选择性的蛋白酶和白 细胞素。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1 理想皮肤替代物的特性与b c 膜的性质之间的联系【1 7 1 1 h b 1 - 1t h e 佗l a t i o n s h i pb e 细唧p i o p e n i e so f a ni d e a lw o 岫dd r e s s i n gm t e r i a l 觚dp r o p e r t i e so f b cm e m b r 锄e s 理想皮肤替代物的特性b c 的性质 维持人工皮肤与创面间适当的湿度 防止细菌感染 可吸收液体渗出物 可灭菌性，容易使用且价廉 具有不同的形状和尺寸 与创面紧贴，且移除时容易无痛 治疗过程中明显缓和疼痛 多孔透气，用于气体与液体的交换 无毒性，生物相容性 高弹性和塑性 力学稳定性 高持水性 纳米多孔结构防止外部细菌渗入创面 部分脱水的b c 膜可以吸收液体至其原始的 含水状态 灭菌过程简单( 通过蒸汽或t 射线) 原位可塑性 高弹性及塑性 b c 湿膜独特的纳米尺度形貌促进其与神经 末梢的特定交互作用 b c 具有高孔隙率，孔径大小分布从几纳米到 微米级 无毒性，生物相容性 高弹性和塑性 良好的力学性能 1 3 2 细菌纤维素作为人工血管生物材料 b c 作为生物材料的最大优势之一是它可以在生物合成过程中被塑造成各种 尺寸和形状，并且对它的物理性质不会造成特别大的影响。r o b e r t s 等制备出有 形状的b c 并申请专利z 7 1 。 对于人工血管的构建有以下三个主要要求【14 】：( 1 ) 支持细胞生长的具有一定 形状和结构的支架；( 2 ) 有利于血管细胞的繁殖；( 3 ) 合适的细胞培养环境。因 此，合成制各和天然血管力学性能相似的小直径血管替代材料对于临床应用具有 非常重要的意义。使用成型技术，y a 【m 如a k a 等制备了一种具有一定长度的中空 b c 管【2 8 1 。这种中空的b c 管具有生物相容性，具有较高的持久力。将这种中空 b c 管植入实验狗的部分动脉和静脉中，以此来评价b c 管与血的生物相容性。 一个月后，仅在缝合口处发现轻微的血块贴附现象，在b c 人工血管的内表面未 发现血栓的症状，说明b c 管中间的部分未被阻隔，仍保持通畅。他们的研究结 果表明，b c 具有良好的与血的生物相容性，可以作为人工血管替代材料来应用 【2 8 】。 利用b c 可以在生物合成的过程中原位成型的性质，c i n m 和他的同事们在 b c 合成过程中将其成型为管状，并且评估了管状b c 作为血管替代材料的可行 天津大学顶= | ：学位论文 第章绪论 性洲。在j ( 1 e m n l 等的研究中提到一种产品b a s y c ，它已满足了用于临床显 微外科手术的各方面性能要求。b a s y c 是一系列具有不同的长度、壁厚以及 内径的管状物，如图l 一2 中所示。图中箭头所指的b a s y c 管的长度、壁厚和 内径分别为5 m m 、o7r 砌、ln n ，各参数都已达到了可以进行显微外科手术的 要求。使用这种技术而制备的b a s y c 具有光滑的内表面，与正常血管相似， 这一特点对于人工微血管很重要，因为不会导致在临床过程中在动脉周嗣形成血 块。对b a s y c 的力学性能测试结果表明，毋大拉伸强度的平均值( 大约为8 0 0 m n ) 与正常血管其有可比性。拉伸测试结果也说明，b a s y c 可以承受老鼠的 血压( 00 2 m p a ) 。 在脚e m m 他们的研究中，b a s y c 作为老鼠的部分颈部动脉血管的替代物 植入到实验鼠的颈动脉中。四星期后，所有的植入体都保持1 0 0 的通畅率而 且没有任何凝结物：人造血管都被联结的组织包裹住；内壁被内皮细胞覆盖，内 皮细胞分布方向与血流方向相同。试验中采用了抗原抗体反应的免疫组织化学方 法证明了生长在b a s y c 内壁上的细胞是内皮细胞。 图1 2 不同内径、不l 司擘厚和不同长度的b a s y c 管” f 1 9l 一2 b a s y c - t u b 洲md i d 确m i 曲d ed 枷l e l d l 肺r f w a i 】m l c k n e s s 柚d d l ml e o g m c h a r d e n t i e r 等用另外一种方法制各出人造血管n ”。他们将8 c 覆盖在聚酯的 血管移植体上。他们这样做是因为，虽然聚酯很容易处理并且具有好的治愈能力， 但是在这些合成的高分子表面经常会引起血栓症，b c 的加入可以解决这个问题， 因为b c 是亲水性高分子材料，可以阻止血栓的形成等口w 。 1 3 3 细菌纤维素作为组织工程支架 理想的组织工程支架需要满足咀下要求： ( 1 ) 材料廊在结构和功能上与天然细胞外基质相似具有良好的生物相容 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 性，即无明显的细胞毒性、炎症反应和免疫排斥； ( 2 ) 合适的可生物降解吸收性，即与细胞、组织生长速率相适应的降解吸 收速率； ( 3 ) 合适的孔尺寸、高的孔隙率( 9 0 ) 和相连的孔形态，以利于大量 细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质( e c m ) 的形成、氧气和营养的 传输、代谢物的排泄以及血管和神经的内生长； ( 4 ) 特定的三维外形以获得所需的组织或器官形状； ( 5 ) 高的表面积和合适的表面理化性质以利于细胞粘附、增殖和分化，以 及负载生长因子等生物信号分子； ( 6 ) 与植入部位组织的力学性能相匹配的结构强度，以在体内生物力学微 环境中保持结构稳定性和完整性，并为植入细胞提供合适的微应力环境。 从生物学的观点来看，几乎所有的人体组织和器官都具有纳米纤维的形式和 结构，如骨骼、胶原质、软骨和皮肤等【3 1 1 。具有三维纳米纤维结构的支架可以最 大限度的模仿天然细胞外基质的结构，进而具备生物功能一时现与肌体组织的完 全整合。因此，仿生组织工程支架的设计与构建必须由纳米纤维实现。由于三维 纳米纤维支架在结构上与天然e c m 更接近，比表面积巨大，能提供大量的细胞 接触点，为细胞的粘附、增殖、生理功能提供更好的微环境，并改善蛋白质吸附， 也更有利于药物和生物因子的释放p 引。 由于b c 的独特结构及性质，将它作为纳米纤维组织工程的支架材料的研究 开始引起重视。s v e 璐s o n 等最近的研究结果显示了b c 作为软骨支架材料的可行 性【3 3 】。湿态b c 的高强度、b c 的原位可塑性、生物相容性及相对简单价廉的生 产过程使其具有作为软骨组织工程支架的潜力。s v e n s s o n 等研究的结果表明，软 骨细胞在b c 基体上的繁殖速度虽然仅为在胶原i i 的5 0 ，但在相同的体外免疫 反应程度下，软骨细胞在b c 基体上的生长速度要高于在藻酸盐基体上的生长速 度；软骨细胞在经磷化处理和硫化处理的b c 膜上的生长速度没有明显变化。在 这种由b c 构成的支架上，软骨细胞保持了分化型。b c 的杨氏模量与关节软骨 组织相似，拉伸强度则高于胶原网状组织；b c 的压缩模量与藻酸盐相似，但低 于关节软骨组织的压缩模量【3 3 1 。 s 锄c h a 啪出t 等研究了从椰子汁培养基提取的b c 膜的特性并利用人类角质 细胞和成纤维细胞来评价b c 膜的潜在生物作用机理。他们的研究结果显示，角 质细胞在b c 支架上能够黏附，迁移和生长，从而显示了b c 作为组织工程皮肤 支架材料的良好前景p 4 j 。 在b a c k d a h l 等的研究中，平滑肌细胞可以成功地在b c 基体上黏附和繁殖。 实际上，一些平滑肌细胞可以通过推开b c 纤维而进入b c 三维结构的孔中。他 天津大学硕i 学位论文 第一章绪论 们的结粜也说明了b c 作为人工血管组织工程支架材料的可行性。 本课题组进行了对b c 作为骨组织工程支架材料的可行性研究，进行了成骨 细胞与b c 共同培养的实验。图l 一3 是成骨细胞与b c 共同培养的表面形貌”。 可看山b c 表面附着的成骨细胞睦度约为2 0 “m ，呈多角形分布，并有大量丝状 伪足伸出，显示了细胞与b c 材料较好的接触黏附情况，这说明b c 对于成骨细 胞具有良好的生物相容性。 la l ， tb l 图i - 3 成骨细胞与b c 共培养的s e m 照片”6 k a ) 低倍：( b ) 高倍 f 1 b1 - 3s e m 咿p b s o f 邮t e o b l a s tc e l i c u l i u m d w l m8 c ( 曲a l o w 眦g t l 讯c a n ， n ) ah l g l l m 鲫讯c a 【1 0 “ 1 3 4 细菌纤维素在生物医用领域内的其他应用 细菌纤维素除了可以作为前面提到的血管替代材料以外，还可以用于其他组 织的治疗。m e l l o 等将细菌纤维素应用于现代神经外科”。在m e i l o 等的研究中 细菌纤维素作为替代材料取代动物的部分脑硬膜，其实验结粜表明，由于细菌纤 维索独特的物理性质和生物相容性，它适合作为脑硬膜的替代材料9 ”。 t 曲u c h l 等将b c 应用于生物传感器上，将细菌纤维索和光盘结合起来作为 d n a 和蛋白质等生物大分子的敏感探测系统。其利用了光盘光栅和细菌纤维素 纳米尺度的纤维和孔隙组成微通道，使得该系统对d n a 的分析比传统方法敏感 度最大提高6 倍例。 n o 面等使用细菌纤维素微纤作为增强材料聚合物基复合材料，制备透光生物 材料，他们认为细菌纤维素具有良好的透光性质是由于光可以通过衍射的方式越 过细菌纤维素纳米纤维的阻挡，使得细菌纤维素作为人工角膜的设想成为可能 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 有机高分子羟基磷灰石纳米复合材料 1 4 1 骨组织工程介绍 骨组织是人体中最坚硬的结缔组织，是支撑人体的关键器官，因此致力于坏 损骨骼的修复以提高人类的生活质量就成为了人类医学的一项重要任务。自1 9 世纪以来，骨移植术一直致力于修复由于创伤、肿瘤、感染所造成的大范围骨缺 损，以恢复肢体功能。 目前用于骨移植材料大体可分为：自体骨、同种异体骨和人工替代骨。 自体骨虽然是修复骨缺损的最佳材料，但是由于其来源有限，还会引起骨切 除处的损伤，有二次手术的痛苦等不足，使其在临床实践中的应用受到限制。 异体骨移植指将某一个体的骨移植给同一种属的另一个体。随着获取、处理 和储藏方法的改进，异体骨移植的应用范围在扩大，感染人类免疫缺陷病毒的几 率低于百万分之一，有各种不同的形状，如条形、方块形、楔形、长段骨干形或 钉形。异体移植骨具有骨传导性和轻度的骨诱导性，其骨诱导能力随处理和消毒 方法不同而变化。同种异体骨虽然具有传导成骨的作用，但由于异体骨具有抗原 性，有时会因强烈的排斥反应导致植入失败，还存在交叉感染的风险，所以，也 不能成为理想的骨移植材料f 删。 为了克服上述两类材料的缺陷，人们开始研究人工骨代替物，随着材料学、 分子生物学、临床医学的发展，运用材料科学和生物医学技术，制造出强度和性 能跟人体自然骨接近的人工骨骨组织工程学成为了人们研究的热点。 骨组织工程是指利用组织工程学进行骨组织缺损的修复或重建，一般来说， 骨组织工程包含三个关键因素【4 l 】：信号分子( 骨生长因子、骨诱导因子) 、支架材 料、靶细胞。其中支架材料一方面作为信号因子的载体，将其运送到缺损位置， 另一方面可提供新骨生长的框架，因此，支架材料是骨组织工程中至关重要的内 容。因此，寻找理想的支架材料的制备和选择是骨组织工程中十分重要而迫切的 任务，也是组织工程化骨组织能否应用于临床的重要影响因素之一。 1 4 2 骨组织工程支架材料 由于骨组织的特殊性，对于骨组织工程支架材料有独特性的要求，骨组织工 程支架材料应具备的条件如下【删：( 1 ) 临床上容易手术操作；( 2 ) 支架材料的吸 收速率与骨生长速率相互匹配；( 3 ) 可用于形状不规则的骨缺损部位，具有可塑 性和易加工性；( 4 ) 具有骨传导性或骨诱导性；( 5 ) 保证精确的力学性能，与天 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 然骨相近；( 6 ) 促进骨质沉积；( 7 ) 促进骨生长；( 8 ) 可防止软组织向移植物骨 组织界面生长；( 9 ) 呈泡沫状，平均孔径在2 0 0 4 0 0 呻1 之间，一定的孔隙率可 以用于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；( 1 0 ) 具有 组织相容性，对周围组织无不良影响；( 1 1 ) 消毒过程不影响支架材料的性能；( 1 2 ) 降解产物无毒性。骨组织工程中的支架材料的特性直接影响细胞黏附、迁移、繁 殖和功能代谢，最终影响骨组织构建的成败。 羟基磷灰石是天然骨中主要的无机成分，可以作为骨组织工程中的仿生材 料，并且具有良好的生物相容性和生物活性。将其植入体内后，它会和机体骨组 织产生牢固的化学键结合和良好的骨性结合。它还具有骨诱导性和骨传导性，能 很好地辅助新生骨的生长，使新生骨不仅沿着植入体表面生长而且向植入体内部 生长。它是骨科和齿科临床上最重要的硬组织替代材料。 虽然羟基磷灰石被公认为最有潜力和应用价值的人工骨修复材料，但是它本 身存在的许多不足限制了其自身的发展，比如机械性能不理想，韧性差，因此不 能很好符合骨组织替代材料的要求。目前仅限应用于不承力的部位，如牙科、整 形外科和上颌面重建等领域，并且由于它的质地很脆，使得它极不容易成型，这 就给骨骼损伤的修复带来困难。而且纯羟基磷灰石不易被吸收，多数是作为永久 植入体使用，因而长期效果往往不尽人意并限制了其在承重部位的应用。 最近，羟基磷灰石有机高分子复合材料作为骨组织工程支架材料备受关注 并且发展迅速，胶原、蚕丝蛋白以及壳聚糖等天然多糖高分子都已作为基体材料 用于骨组织工程支架材料的制备。这类复合材料的优越性在于【4 2 】：( 1 ) 在生物学 性能上，复合材料具有生物相容性和生物活性；( 2 ) 生物活性陶瓷和高分子相互 取长补短，获得良好的综合力学性能，其中弹性模量能与骨较好地匹配，减少了 高模量材料造成的应力集中和骨溶解；( 3 ) 若用人工合成高分子作为复合材料的 基体材料，其力学和化学性能可通过工程材料的工艺方法进行调控，而且可加工 性好；( 4 ) 以可降解的天然高分子为基体的复合材料在骨修复时起临时支架作 用，它随时间而降解，避免了二次手术。 这里，值得一提的是，天然多糖高分子之所以可以作为制备骨组织工程支架 的基体材料，用来指导纳米级的磷酸钙基陶瓷在其表面仿生矿化，是因为【4 3 j ：( 1 ) 多糖高分子链的自组装所具有的高度组织的超分子结构；( 2 ) 具有高度顺序结构 的纤维模板的形成；( 3 ) 磷酸钙在这些生物高分子模板表面位置选择性的形核。 几个以天然多糖高分子材料作为骨组织工程支架的基体材料的例子如下： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 2 1 胶原羟基磷灰石复合材料 骨是一种高度有序的组织，由羟基磷灰石( h y d f o x y a p a t i t c ，简称h a p ) 纳米晶 粒和i 型胶原纤维组成，并且h a p 的纳米晶粒的c 轴沿i 型胶原纤维排列m 】 骨组织中的i 型胶原可以让成骨细胞粘附、增殖、分化、增强它的成骨能力。 胶原是机体生命的最根本的基质，它具有以脯氨酸等中性氨基酸和含有碱性 或酸性侧链的氨基酸蛋白质的结构和特性。选用与自然骨有机质更接近的胶原与 h a p 陶瓷复合，这样植入材料就能和骨胶原末端的胺基和羟基相结合，形成具 有生物活性的化学性结合界面，从而发挥其正常的生理功能作用。研究证实，胶 原与多孔h a p 陶瓷复合，其强度比h a p 陶瓷提高2 3 倍，胶原膜有利于孔隙内 新生骨生长岬。 由于胶原羟基磷灰石纳米复合材料与天然骨在成分上和结构上具有相似性， 所以很多研究者都制备了胶原羟基磷灰石复合材料并改善其生物相容性9 1 ， 将其作为一种有前途的骨组织工程支架材料。i 妯等的研究中，胶原羟基磷灰 石纳米复合材料显示出很好的相容性及与骨组织的生物结合能力【5 0 】。l i c k o s h 等仿生制备多孔胶原羟基磷灰石复合材料，通过在模拟体液环境中在胶原基体 上仿生矿化沉积羟基磷灰石晶粒【5 1 1 。复合材料中的三维多孔结构对细胞繁殖和细 胞的分化功能起到很重要的支持作用，可以用于营养的传输，同时也决定了新骨 的最终形状【5 2 】。另外，量m h i 等通过使用凝胶和冷冻干燥过程制备出多孔的自 组装胶原羟基磷灰石纳米复合材料【5 3 1 。关于胶原羟基磷灰石复合材料的一些体 内研究结果表明，这种复合材料在一定程度上具有生物活性和生物降解性瞰，5 5 1 。 1 4 2 2 壳聚糖羟基磷灰石复合材料 壳聚糖是一种天然的生物可降解多糖，其降解产物为氨基葡萄糖，对人体及 组织无毒、无害。它对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进作用，是一种较理想 的天然可降解的阳离子多糖。壳聚糖可由甲壳类动物的壳中提取的甲壳素脱乙酰 化而得，也可用蛆皮和蛹壳以及黑曲霉纤维素酶等来制备。 壳聚糖是组织工程研究中集中最广泛使用的天然高分子之一，它具有生物相 容性并可以在人体中酶的作用下降解，降解产物具有无毒性【5 6 1 ，已在生物医用研 究领域得到广泛应用。虽然壳聚糖的研究取得了很大进展，但由于壳聚糖缺乏骨 键合生物活性，单独使用时的力学性能不够理想，缺乏弹性和柔韧性，从而限制 了在骨组织工程中的应用。为了弥补这方面的不足，许多学者将羟基磷灰石、壳 聚糖两种材料复合，所得到的复合材料不仅具有二者的优点，而且两相之间的协 同作用赋予复合体优异的力学性能，可以适用于人体的生理负载环境，从而为开 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 发出新型实用的骨组织修复和替代材料带来了新的希望。 目前壳聚糖羟基磷灰石复合材料的制备方法，主要包括共沉淀法、原位复 合法、电化学沉积法、温和湿纺法和相分离法等【5 7 1 。 羟基磷灰石和壳聚糖都是生物相容性、生物功能性良好的材料，壳聚糖能促 进细胞黏附、润湿材料并包裹材料，为材料提供含大量游离氨基的高密度阳离子 表面，通过静电作用而黏附【5 引。因此该复合材料具有良好的生物相容性、生物活 性、骨传导性及其与自然骨矿物相组分的相似性。 k o n g 等制备了一种具有多孔结构的纳米羟基磷灰石壳聚糖复合材料，他们 的研究结果显示这种复合材料支架比纯壳聚糖支架有较好的生物相容性，同时可 以作为骨组织工程中细胞黏附、移植良好的三维基质【5 9 】。 羟基磷灰石和壳聚糖对人体都是无毒无害的，其复合材料也具有良好的生物 相容性。y a o 等制备了b 磷酸三钙壳聚糖明胶网络复合多孔支架，将此支架在 兔皮下植入，实验证实此复合支架在植入初期引起轻微的炎症反应，随着植入时 间的增加，支架逐渐降解，材料的炎症反应也相应减轻，到1 2 周炎症基本消失， 表明此复合材料可作为骨组织工程支架材料使用岬j 。 1 4 2 3 细菌纤维素羟基磷灰石复合材料 b c 作为一种新兴的生物材料，在骨组织工程支架材料方面的应用很有前景。 首先，b c 的纳米纤维和骨中的胶原纤维的形态是一致的，其纳米纤维结构使其 具有大的比表面积，有利于细胞的黏附，同时也增强了依赖于细胞黏附的细胞移 植、繁殖和分化功能【6 1 】。其次，b c 具有高的机械强度和模量【1 3 1 ，与硬组织和软 组织的力学性能有可比性。b c 具有良好的生物相容性，m 觚s o n 等研究了纤维 素与骨的生物相容性。他们将多孔的纤维素海绵植入老鼠体内来评价细胞反应。 他们的研究结果显示出纤维素具有生物相容性，允许骨组织的长入，可能成为骨 组织工程的支架材料，并且很有希望应用于临床【6 2 】。纤维素还可以缓慢降解，其 降解速度取决于纤维素高分子链的长度和结晶度【6 3 1 。另外，虽然在哺乳动物的生 理系统中，纤维素降解速度很慢，不过通过化学改性可以改变其降解速度【16 1 ，使 其符合理想骨组织工程支架的要求。除此以外，b c 具有作为生物医用材料最适 宜的微孔径，其分布量大，而且含有丰富的纳米孔隙，这些特点赋予材料以较好 的渗透性，适于营养物质、生物因子扩散及血管的长入等【3 2 j 。但是，由于b c 与 骨的结合能力差，所以将其单独作为骨组织工程支架材料还存在着问题【叫。由前 面的讨论可知，羟基磷灰