（生物医学工程专业论文）丝素调控纳米羟基磷灰石复合材料制备工艺研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 液，缓慢滴定到上述丝素的c a c l 2 溶液中，其中c a p 摩尔比为1 6 7 ，搅拌下 滴入氨水调节溶液酸碱度，反应中始终保持溶液p h = 8 0 0 ，滴定完成后，用 去离子水清洗产物至p h 值为中性，于恒温水浴锅5 0 ，1 0 0 r m i n 恒速搅拌 浓缩，此过程有益于丝素晶体向机械性能更高的b 折叠结构转变，最终印 下真空干燥成型，可制得s f 4 0 。相同步骤，制各纯h a 、s f 各一份，作对 比分析。将样品研磨为粉末状后，于1 2 0 0 c 烧结2 h ，最终用x r d 、f t i r 、 s e m 等对其进行检测分析，力学性能及成骨细胞培养实验亦表明材料最大抗 压强度达9 7 6 m p a ，基本接近人体自然皮质骨，细胞培养结果表明所得复合 材料生物学性能较佳，同时纳米羟基磷灰石晶粒均匀的分散在丝素基体中， 羟基磷灰石晶体同丝素之间通过强烈的化学氢建及架桥原理结合在一起，且 钙盐晶粒的生长表现出某一方向的择优性，化合物高温烧结稳定等，这种新 颖的仿生学方法为设计具备特殊性能的生物材料具有很大的潜力，同时这种 新颖的复合材料也有望应用于将来的骨修复及骨替代材料领域。 关键词：羟基磷灰石；丝素；仿生学 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 a b s t r a c t b o n et i s s u ei sap a r t i c u l a r l yc o m p l e xc o m p o s i t eb e c a u s ei tc o n t a i n sm u l t i p l e l e v e l so fh i e r a r c h i c a lo r g a n i z a t i o n a tt h el o w e s tl e v e lo ft h i sh i e r a r c h yi st h e o r g a n i z a t i o no fc o l l a g e nf i b r i l sw i t hr e s p e c tt oh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) c r y s t a l s f a b r i c a t i o no fr e s e m b l eb o n e ，e v e na tl o w e s tl e v e lo fh i e r a r c h i c a lo r g a n i z a t i o n ，i s v e r yd i f f i c u l tb e a 7 a u s ei ti n v o l v e st w od i s s i m i l a ro r g a n i ca n di n o r g a n i cn a n o p h a s e s t h a th a v eas p e c i f i cs p a t i a lr e l a t i o nw i t hr e s p e c tt oo n ea n o t h e r o n ew a yt om i m i c t h i sc o m b i n a t i o ni na l la r t i f i c i a ls y s t e mi st o p r e p a r e a l lo r g a n i cn a n o p h a s e d e s i g n e dt oe x e r tc o n t r o lo v e rc r y s t a ln u c l e a t i o na n dg r o w t ho ft h ei n o r g a n i c c o m p o n e n t s i l k sa r eg e n e r a l l yd e f i n e da sp r o t e i np o l y m e r st h a ta r es p u ni n t o f i b e r sb ys o m e l e p i d o p t e r al a r v as u c ha ss i l k w o r m s ，s p i d e r s ，s c o r p i o n s ，m i t e sa n d f l i e s s i l kf r o mt h es i l k w o r mh a sb e e nu s c da sb i o m e d i c a is u t u r ef o rc e n t u r i e s i t i ss h o w nt h a ts i l ks e r i c i nm a yi n d u c et h ee x t r i n s i cr e a c t i o no fo r g a n i s mw h i l es i l k f i b r o i n ( s f ) p r o t e i ns h o w snb e t t e rb i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t y r e c e n t l y , l o t so f s t u d i e se x h i b i ts fh a sac o m p a r a b l eb i o c o m p a t i b i l i t ys i m i l a rt op o l y l a c t i ca c i d a n dc o l l a g e nt h a ti sm a i no r g a n i cc o m p o n e n to fn a t u r a lb o n e t h e p r e s e n ts t u d yi sa i m e dt od e v e l o pan o v e lb i o m i m e t i ca p p r o a c hb yw h i c h t h eh a s fn a n o c o m p o s i t e sa r ef a b r i c a t e dt om i m i ct h ep r o c e s sa n dc o m p o n e n to f n a t u r a lb o n e d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e ，r a ws i l kf i b e r sw e r ed e g u m m e d t w i c ei n0 5w t n a 2 c 0 3 b o i l i n gs o l u t i o na n dt h e nr i n s e dw i t hd i s t i l l e dw a t e l d e g u m m e ds i l kw a sd i s s o l v e di nat e r n a r ys o l v e n ts y s t e mo fc a c l 2 c 2 h s o h f f l 1 2 0a t8 0 c a f t e rd i a l y z e dw i t hd i a l y s i sm e m b r a n ef o r3d a y s ，t h ep u r es o l u t i o n o fs fw a so b t a i n e d t w oh u n d r e dm i l l i l i t e r0 0 9 m ( n i - 1 4 ) 2 h p 0 4a q u e o u ss o l u t i o n w a sa d d e dd r o p w i s ei n t o2 0 0 r a ls fc a l c i u mc h l o r i d e ( o 1 5 m ) s o l u t i o nc o n t a i n i n g 1 0 o gs fa tp h8 t h em o l a rr a t i oo fc a pw a s1 6 7 t h em i x t u r es o l u t i o nw a s s t i r r e ds o f t l ya t5 0 ct oc o n c e n t r a t et o1 0 0 m ls ot h a tap h a s et r a n s f o r m a t i o n h a p p e n e dt oo b t a i nt h er e c r y s t a l l i z e ds fw i t ht h e 户一s h e e ts e c o n d a r ys t r u c t u r e s u b s e q u e n t l y , t h em i x t u r ew i t sv a c u u m - d r i e da t 6 0 t oo b t a i nb i o m i m e t i c 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 n a n o c o m p o s i t ec o n t a i n i n g4 0 w t o fs f p u r eh a a n ds fw e r ep r e p a r e da s c o n t r o ls a m p l e sb yt h es a m ep r o c e s s t h ei n f l u e n c eo fs fo nt h en u c l e a t i o n ， m i c r o s t r u c t u r ea n dp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h ep r o d u c tw a sa n a l y z e db y x r d ，s e ma n df t i r ，t h en a n o c o m p o s i t ew i t hl l a n oh ae r y s t a l l i t e sd i s p e r s e d h o m o g e n e o u s l yi ns fm a t r i xp o s s e s s e s ac o m p r e s s i o ns t r e n g t ho f9 7 6m p a h i g h e rt h a nt h a to fw o v e nb o n e t h eb i o c o m p a t i b i l i t yo fm a t e r i a lw a ss t u d i e d u s i n g c e l lc u l t u r e a n a l y s i s t h e r e s u l t si n d i c a t et h a t i ts h o w sb e a e r b i o m c o m p a t i l b i l i t y t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a th a s fc r o s s l i n k e dt o g e t h e rb y h y d r o g e nb o n d sa n dh a f a b r i c a t e db yt h i ss y s t e ms h o w e dt h eg r o w t hw i t ha p r e f e r r e do r i e n t a t i o na n ds t a b l et o 1 2 0 0 c i na d d i t i o n ，l l a n o h ae r y s t a l l i t e s d i s p e r s e dh o m o g e n e o u s l yi ns fm a t r i x t h em e t h o d o l o g yh a sag r e a tp o t e n t i a l f o rd e s i g n i n ga n de n g i n e e r i n gs p e c i a lf u n c t i o n a l i t i e sb i o m a t e r i a l sw i t h t h en o v e l n a n o - c o m p o s i t em a yb eu s e da sb o n es u b s t i t u t e sa n dt i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d s k e y w o r d ：h y d m x y a p a t i t e ；s i l kf l b r o m ；b i o n i c s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 生物医用材料 第1 章绪论 生物医用材料( b i o m e d i c a lm 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 s ) 是用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或 恢复其功能的材料。随着医学、生物学、材料科学的共同发展和相互渗透， 生物医用材料的研究已逐渐成为一门新兴的交叉学科，各类生物医用材料的 开发应用也十分迅速。但在长期的临床应用中发现，传统单一材质的生物医 用材料逐渐满足不了临床实际的需要。因此，几种材质生物医用材料的复合 和增强越来越受到人们的重视。 生物医用材料是在材料科学、材料化学、材料物理等领域和医学、药学 等学科之间形成的一门新兴学科。其主要任务是：发掘新型材料；研究现有 材料的性能及改变途径；研究制备材料的最佳工艺；研究人工合成制造的替 换材料如何对有生命组织进行替换，如何承担其生命功能的机理等。自从生 物医用材料的发展历史及材料本身的特点来看，可将已有的材料分为三代， 代表了生物医用材料发展的不同水平。 第一代生物医用材料为上世纪初第一次世界大战以前所应用的医用材 料，如今大都为现代医学所淘汰。其并不与人体生物组织结合而发挥作用， 始终是生物体的异己成分，故此类生物医用材料未能得到持久、广泛的应用。 第二代生物医用材料的发展是建立在医学、材料科学( 尤其是高分子材料 学) 、生物化学及大型物理测试技术发展基础上，此时，人们能够详细分析 和测定各种生物体物质的成分、结构和性能，医学的研究也开始由宏观进入 微观世界，4 0 年代开始高分子学说也得以建立，众多的高分子新材料不断涌 现，极大地促进了生物医用材料的研究和学科的确立。近年来，随着世界 性高新技术的发展和医学、生物工程技术的进步，人们开始逐渐对生物体内 各种细胞组织、生长因子、生长抑制素及生长机制等结构和性能的了解，在 此基础上建立了研制第三代具有促进人体自身修复和再生作用的生物医用 复合材料的新概念。其基本思想是通过材料之间的复合，材料与活细胞的融 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 合，生化材料和人工材料的杂交等手段，赋予材料具有特异的靶向修复、治 疗和促进作用，从而达到病变组织主要甚至全部由健康的再生组织所取代。 这类材料一般是由具有生理活性的组元及控制载体的非活性组元所构成，具 有比较理想的修复再生修复效果。典型的例子是b m p 复合材料中b k l p 具有诱 导问叶细胞向成骨方向转化的积极作用，而载体材料则控制b m p 诱导成骨作 用量、速度及位置以及设计再生骨的形状。材料植入后最终形成由自身天然 骨或主要由天然骨构成的新骨再建骨。 当前国内外生物材料开发研究的主要趋势是致力于提高材料的生物相 容性和功能性，以适应研制各种人工器官的需要，为医学的发展提供物质基 础。而随着生物技术的不断迅猛发展，使得生物技术必将在生物材料这一综 合学科中扮演更为重要的角色。从生物学，特别是在细胞及分子生物学层次 揭示材料与组织相互作用，进一步了解生物材料与人体作用机制，将会引导 更佳性能材料的出现和发展，因此生物材料将再次进入一个高速发展的时 期。一个新兴的生物材料与制品的产业正在发展形成之中。它将对促进人类 的文明、保障人类的健康起重要作用，对整个国民经济的发展做出重大贡献。 1 2 骨修复材料 1 2 1 分类 医用金属材料 生物医用金属材料是目前最常用的骨替换材料之一，主要用于整形外科 和牙科领域。医用金属材料具有较高的强度和韧性，常作为受力器件植入体 内，如人工关节、人工椎体、骨折内固定钢板、骨钉、牙种植体等。引起的 生物反应最小是金属骨替换材料的选择标准。由于力学和环境的共同要求， 用于骨和关节重建的金属主要有不锈钢基、钴基合金和钛基材料。尽管医用 金属材料具有一定的生物相容性，但因其结构和性质与骨相差很大，缺乏生 物活性，难以与骨组织发生键性结合，仅形成一层致密的纤维包膜，所以其应 用具有一定的局限性。因此，金属材料很少单独使用，其研究和应用主要集 中在与其他材料复合使用方面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 医用陶瓷材料 按照陶瓷的生物活性分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷。生物惰性陶瓷 是指化学性能稳定并与机体组织生物相容性好的陶瓷材料。从材料的结构来 看，其化学键较强，具有较高的机械强度和耐磨损性能，可以应用于各种人 工关节、人工骨和人工齿根，其特点是机械强度良好，但是不具有生物活性， 与体内组织之间主要依靠形态结合，种植体与生物基体间往往形成一定厚度 的纤维组织。生物活性陶瓷材料是指能与活体骨组织、活体软组织形成化学 键合的陶瓷材料。对硬组织替换材料，这种键合主要通过羟基磷灰石在界面 处的沉积来实现。界面结合强度随时间增长而增强，与骨折愈合的情形相似。 但其降解和吸收速度与骨形成速度难以达到一致，且强度较低，不适于人体 承力部位的骨修复，主要用于小的骨缺损修复。 医用高分子材料 用于硬组织修复的高分子材料可分为天然高分子材料和人工合成高分 子材料两类。天然高分子包括胶原( c o l l a g e n ) 、几丁质( c h i t i n ) 和藻酸 盐( a l g i n a t e ) 等。这些天然材料生物相容性好，利于细胞粘附、增殖和分 化，但其力学性能差，力学强度与降解性能间存在反对应关系，导致降解速 度慢，难于满足组织构建的速度要求。因此，天然高分子生物材料一般不单 独用作骨修复材料。人工合成高分子材料可分为不可降解聚合物和可降解聚 合物两类。不可降解的聚合物有聚乙烯、尼龙等，可降解聚合物主要有聚乳 酸( p l a ) 、聚乙醇酸( p g a ) 等，此类高分子材料在应用过程中也存在一些缺点， 如机械强度不足，尤其是抗压强度不足，降解速度过快，容易引起材料结构 失去支撑作用，引起无菌性炎症，亲水性差，细胞吸附力弱等，从而限制了 其临床的广泛应用。 生物复合材料 综上所述，目前还没有一种单一组分材料能完全满足骨替代材料的要 求，鉴于骨组织复杂的组织结构及相应的功能，研究和开发复合材料已成为 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 一种方向。复合材料是将两种或两种以上的生物材料相结合，使复合后的材 料具有多种特性，以提高骨组织修复功能。从结构组成方面来看，骨组织本 身就是由骨基质和细胞成分两大部分构成的复合物，骨基质又由无机矿物质 与胶原等有机成分组成。可采用复合方法，取长补短、集几种材料的优点于 一体，发挥更好的修复重建效果，复合材料的种类主要包括： 1 ) 有机有机复合生物材料：该类复合材料的研究主要集中在可降解高 分子材料之间的复合上，包括天然高分子材料、生物合成聚酯、人工合成聚 酯和聚酸酐等。通过对不同组分复合之后材料的相容性以及结构和性能的考 察，筛选具有最佳综合性能的复合生物材料。 2 ) 金属无机复合生物材料：用于人体硬组织修复的金属材料具有优良 的力学性能，但生物相容性较差。通过一些物理或化学手段( 等离子喷涂，电 化学沉积法等) 在金属材料表面形成一层磷酸钙盐，能大大改善金属材料表 面的生物相容性，并与周围的骨组织形成良好的骨性结合。 3 ) 有机无机复合生物材料：与其它两类复合材料相比，有机无机复合 生物材料是应用研究最为广泛和深入的一类，其主要用途在于修复和重建人 体的硬组织，作为骨修复或骨固定材料。有机无机复合生物材料结合了有机 组分的韧性和无机组分的刚性，充分利用了无机组分或部分有机组分的生物 活性或降解性能，形成了具有综合使用性能的骨修复复合材料。骨修复复合 材料与周围组织的最终结合形式以及被利用的状况与材料组分的降解性能、 材料的结构状况等密切相关。 1 2 2 发展趋势 一般来说，具有降解特性或贯通孔洞的复合材料能够被人体较好地利用 新生骨组织可以长入到材料内部，并与周围组织形成牢靠的结合。复合材料 不仅兼具各组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的新性能，特 别是生物活性无机材料和有机高分子材料所形成的复合材料，模仿了自然骨 的组成和结构。这种复合材料的出现和发展，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广阔的途径，为人工器官和人工修复材料的开发 与应用带来了新的希望。其中生物复合材料的纳米仿生合成是骨组织修复、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 替换材料的发展趋势。对人工制备的生物复合材料而言，提高仿生性仍是改 进材料整体性能的重点，因此模拟生物矿化过程、制各具有更高仿生性和生 物学性能的材料已经成为目前骨组织复合材料研究的重点和热点。 1 3 生物仿生骨材料 1 3 1 自然骨 骨骼是人体重要的组织器官，对器官起支持和保护作用。从生物学角度 看，它是人体钙元素的存储部位，其特点是在间质中有大量的钙盐沉着，体 内9 9 的钙是以羟基磷灰石的形式贮存于骨内，因而骨成为体内最大的钙 库，与磷、钙代谢有着密切关系，使之成为体内最硬的组织，也是人体的重 要造血器官；从结构上看，它是人体重要承重部位。骨由骨组织、骨膜、骨 髓及关节软骨所构成。骨组织由数种细胞成分和大量钙化的细胞问质组成： 1 骨基质：骨的钙化细胞间质又称骨基质( b o n em a t r i x ) ，由有机成分和 无机成分构成。 有机成分包括胶原纤维和无定形基质，约占骨干质量的3 5 ，是由骨细 胞分泌形成的。有机成分的9 5 是胶原纤维( 骨胶纤维) ，主要由i 型胶原 蛋白构成，其纤维尺寸约为1 0 0 2 0 0 0 n m ，纤维与纤维交互编织成网状同轴 结构体。1 ，还有少量v 型胶原蛋白。无定形基质的含量只占5 ，呈凝胶状， 化学成分为糖胺多糖和蛋白质的复合物。糖胺多糖包括硫酸软骨素、硫酸角 质素和透明质酸等。而蛋白质成分中有些具有特殊作用，如骨粘连蛋白可将 骨的无机成分与骨胶原蛋白结合起来；而骨钙蛋白是与钙结合的蛋白质，其 作用与骨的钙化及钙的运输有关。有机成分使骨具有韧性。 无机成分主要为钙盐，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 。( p 0 4 ) 。( 0 h ) ： ，针 状结晶磷灰石长度约为4 0 6 0 n m ，宽度约为5 2 0 n m ，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。羟基磷 灰石结晶体与胶原层与层的重叠，构成了骨盐的框架结构。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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，使得骨骼具有抗拉( 纵向纤维为主) 、抗压( 环向纤维为主) 等良好的 力学性能，从而在人体中实现生物学和力学性能要求。因此，人体骨可以看 成一种天然无杌物一高分子复合材料。 2 骨组织的细胞成分：骨组织的细胞成分包括骨原细胞、成骨细胞、骨细 胞和破骨细胞。唯骨细胞存在于骨组织内，其他细胞均处骨组织的边缘。 1 ) 骨细胞( o s t e o c y t e ) ：骨细胞为扁椭圆形多突起的细胞，核亦扁圆、 染色深，胞质弱嗜碱性。骨细胞夹在相邻两层骨板间或分散排列于骨板内。 相邻骨细胞的突起之间有缝隙连接。在骨基质中，骨细胞胞体所占据的椭圆 形小腔，称为骨陷窝( b o n el a e u n ) ，其突起所在的空间称骨小管( b o n e c a n a l i e u l i ) 。相邻的骨陷窝借骨小管彼此通连。骨陷窝和骨小管内均含有 组织液，骨细胞从中得到营养并向其中排出代谢产物。 2 ) 骨原细胞( o s t e o g e n i cc e l l ) ：骨原细胞是骨组织中的干细胞。细 胞呈梭形，胞体小，核卵圆形，胞质少里弱嗜碱性。骨原细胞存在于骨外膜 及骨内膜的内层及中央管内，靠近骨基质面。在骨的生长发育时期，或成年 后骨的改建或骨组织修复过程中，它可分裂增殖并分化为成骨细胞。 3 ) 成骨细胞( o s t e o b l a s t ) ：成骨细胞由骨原细胞分化而来，呈矮柱状 或立方形，胞质嗜碱性，含有丰富的碱性磷酸酶。当骨生长和再生时，成骨 细胞于骨组织表面排列成规则的一层，并向周围分泌基质和纤维，将自身包 理于其中，形成类骨质( o s t e o i d ) ，有骨盐沉积后则变为骨组织，成骨细胞 则成熟为骨细胞。成骨细胞以顶质分泌的方式向类骨质内释放有膜包裹的小 泡，称为基质小泡( m a t r i xv e s i c l e ) ，其直径约0 1pm 。小泡膜上有大 量的碱性磷酸酶和a t p 酶，泡内含有磷脂和小的钙盐结晶。通常认为，基质 小泡是类骨质钙化的重要结构。 4 ) 破骨细胞( o s t e o c l a s t ) ：破骨细胞是一种多核的大细胞，直径可达 1 0 0 m ，可有2 5 0 个核，胞质嗜酸性强。其数量远比成骨细胞少。多位于 骨组织被吸收部位所形成的陷窝内。电镜下，破骨细胞靠近骨组织一面有许 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 多高而密集的微绒毛，形成皱褶缘( r u f f l e db o r d e r ) ，其基部的胞质内含 有大量的溶酶体和吞饮小泡，泡内含有小的钙盐结晶及溶解的有机成分。皱 褶缘周围有一环形的胞质区，其中只含微丝，其他细胞器很少，称为亮区 ( c l e a rz o n e ) 亮区的细胞膜平整，紧贴于骨组织表面，恰似一道围墙在皱 褶缘周围，使其封闭的皱褶缘处形成一个微环境。破骨细胞可向其中释放多 种蛋白酶、碳酸酐酶和乳酸等，溶解骨组织。目前认为，破骨细胞由多个单 核细胞融合而成。 从材料学角度来看，羟基磷灰石微晶分布在胶原纤维表面，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，可认 为骨是一种弹性的高分子聚合物增韧的羟基磷灰石基的复合材料。骨羟基磷 灰石晶体处于纳米范围，在骨基质中分布均匀。h a 针晶的定向分布，大大增 强了骨的力学性能。骨的这一结构特点给材料工作者在设计骨替代材料时， 提供了非常重要的启发和思路，促进了骨替代材料的研究和发展。 羟基磷灰石 人体骨骼中的主要无机成分是羟基磷灰石，( h y d r o x y a p a t i t e ，简写h a ) ， 分子式为c a 。( p 0 。) 。( o h ) ：，是人体和动物骨骼、牙齿的主要无机成份。h a 晶体 为六方晶系，其结构为六角主体，与c 轴垂直面是一个六边形，a 、b 轴夹角 为1 2 0 0 ，晶胞常数a = b = 9 4 3 2 a ，c = 6 8 8 1 h 。晶胞有1 0 个c a 2 + ，6 个p o 。”和 2 个0 h 一。h a 的表面性能取决于其结构，h a 表面主要存在2 个吸附位置，当 o h 一位于晶体表面时，该位置联结着2 个c a ”，在水溶液中，这个表面的伽一 至少在某一瞬间空缺，由于2 个c a 2 + 带正电，形成一个吸附位置。同理，当 表面的c a 2 + 在某一瞬间空缺时，表面形成另外一个吸附位置，而该位置带负 电荷。其理论密度较大，为3 1 5 6 锄3 ，折射率为1 6 4 1 6 5 ，莫氏硬度 为5 ，微溶于水，呈弱碱性( p h = 7 9 ) ，易溶于酸而难溶于碱。离子交换能力 强，c a “很容易被c d ”、h 9 2 + 等有害金属离子和s r 2 + 、b a “、p d 2 + 等重金 属离子置换。o h 一也常被r 、a 一置换，并且置换速度非常快，还可以与含 羰基的氨基酸、蛋白质、有机酸等反应。羟基磷灰石因其独特结构及其它特 性，具有良好的生物活性，能与活性组织形成化学键合，为新骨的形成提供 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 生理支架作用，与骨形成骨性结合，已长期在非承力部位应用于临床呻1 。其 生物活性陶瓷植入体不仅安全、无毒，还能传导骨生长，即新骨可以从m 植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长，能与组织 在界面上形成化学键性结合。它与骨形成键合表现在：在光学显微镜水平下， 新骨和h a 植入体在界面上直接接触，其问无纤维组织存在；h a 植入体一 骨界面的结合强度等于甚至超过植入体或骨自身的结合强度，如果发生断 裂，则往往是发生在陶瓷或骨的内部，而不是在界面上：h a 植入体骨界面的 高分辨率透射电镜显示，新生骨中盐晶体系由植入体中晶粒外延生长形成。 目前通过和高分子材料等复合，可以调节材料的力学性能使之与骨组织 相匹配“”，而且还可以赋予聚合物材料生物活性，增强复合物与骨组织键 合的能力1 ”。 i a 和聚合物复合材料已成为生物材料领域关注的焦点之一。 胶原蛋白 骨基质胶原纤维的蛋白主要为i 型蛋白，还有少量的v 型。这两种类型 蛋白分子通过由各自或相互之间形成的三条左手螺旋的肽链绞合成原胶原， 原胶原有规律的排列成胶原纤维，如图1 1 所示： ： i w m 井 = = = = j e = = | = = 墨t = d b = = k = = ，= = = - t = = 2 z = = j = = 一 图1 1 包然骨骏原崔白分子聚合为乐纤维 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 胶原纤维是由平行排列而相邻分子之间相互有一定错动的胶原蛋白分 子组成。胶原蛋白分子接头处极性较大，留下一段大约3 5 r i m 的空白。这是 在不考虑骨基质中无机盐情况下的股原纤维的形态结构。骨基质中的无机盐 主要对胶原纤维起矿化作用。在动物骨生长变化时期，首先在骨基质中出现 的是纤维，然后小片状的无机盐颗粒在保持整个体积不变的情况下通过替代 基质中水而进行形核生长，这说明了无机物在骨基质中的形态结构会受到先 出现的纤维、水等成分的限制作用。 1 3 2 生物仿生骨 仿生是模仿生物系统的功能和行为，来建造技术系统的一种科学方法。 它打破了生物和机器的界限，将各种不同的系统沟通起来。仿生材料或生物 材料与工业材料的最大区别是在生理环境下使用。通常，仿生材料植入人体 后，都是在非常严重的腐蚀环境中使用。例如，牙科材料是在与口腔内粘膜、 唾液、硬组织牙齿以及大气接触状态下使用。而整形外科材料，则与软硬组 织( 如筋、骨骼、肌腱) 等接触，并处在血液、间质液、淋巴液、关节润滑 液等液体浸蚀状态下使用。因此，仿生材料应具备的生物学条件是：一是无 毒无过敏反应，具有化学稳定性；二是具有良好的耐腐蚀性：三是没有致癌 性和抗原性；四是不会引起血液凝固和溶血；五是不会引起异常的新陈代谢； 六是不会在生物体内变质，产生吸附物和沉淀物。生物仿生骨材料及物相的 选择取决于临床应用对其性质和功能的要求。如粉末状的可用于骨缺损的填 充，涂层可改善种植体与组织间的界面物性。蓝宝石单晶因为强度高曾用做 牙根种植，而a w 玻璃陶瓷因其可以与骨键合且具有较高的强度，可以用于 脊椎骨替换。惰性陶瓷材料主要是氧化铝合生物碳。其中，氧化铝髋关节早 在上世纪七十年代就已经用于临床。近年来氧化锆增韧的氧化物陶瓷由于其 高强度而逐渐受到重视。以磷酸盐为基的生物活性高分子复合材料是目前生 物陶瓷研究中最活跃的领域。 自然骨的形成是一种复杂的生物矿化过程，即在生物体内形成矿物质的 过程。在这个过程中，晶体形貌、尺寸晶体学方向受到结晶时局部条件的控 制，特别是在有机蛋白质“基质”和生物分子共同存在的情况下( 即在不溶 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 基质和可溶基质共同作用) ，可溶添加剂吸附在特定的晶面上，从而改变不同 晶面的相对生长速率，导致不同的晶体特性，达到控制晶体形貌的目的。这 些过程通常是在有机一无机界面发生的。有机部分为无机物以合适的方式成核 和外延生长提供初始的结构信息。生物矿化是- f - h 常年轻的学科，生物在 常温常压的条件下，利用环境中极其简单常见的组分通过一系列节能、无污 染的处理合成了结构及性能完美的复合材料，生物对无机晶体的成核，形貌 及结晶学定向等的控制是无与伦比的。因此仿生合成为制备新型的无机材料 提供了一种新的化学方法。模仿生物矿化中无机物在有机物的调控下的形成 过程的无机材料的合成，称为仿生合成，也即将生物矿化的机理引入无机材 料合成，以有机物的组装体为模扳，去控制无机物的形成。巧妙的选择合适 的表面活性剂和溶剂，使其组装成胶柬、微乳和液晶等作为无机物沉积的模 板，是仿生合成的关键。仿生合成为无机材料化学的研究前沿。仿生矿化的 研究为制备高性能、高功能的环境友好材料提供了新的思路。 生物矿化通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互作用，从分子水 平控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方 式。生物矿化过程一般是在有机一无机界面发生。生物矿化的一个重要特点 就是自组合的有机聚集体或超分子模板通过材料复制而转变为有序化无机 结构，因此有机基质在生物矿化过程中具有特殊作用： 1 ) 有机基质于水溶液环境通过自组装过程形成胶束，反胶束、囊泡、 微乳液、泡沫、溶致液晶等结构，为生物矿物的形成提供微环境或模板； 2 ) 有机基质也可以作为可溶添加剂，在晶体生长过程中，能吸附在特 定的晶面上或能结合与其电荷相反的游离离子，从而改变晶体生长速率。 生物矿化一般具有如下特点： 1 ) 生物矿化在特定的予单元或微环境中发生，这些微环境为晶体生长 营造的是在一定功能位置刺激晶体的生长，而在其它位置阻碍其生长； 2 ) 生物矿化形成具有固定晶体尺寸和晶向( 定向) 的特定的矿物； 3 ) 生物矿化晶体宏观生长是通过许多基本单元的聚集完成的，从而形 成了独特的复合材料并为后阶段有机体的生长和修复提供条件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 生物仿生骨材料研究经历了二十几年的发展，已经取得了一些成绩，但 是由于生物矿化的复杂性，难以在原位进行研究，而有关生物矿化的的一些 生物问题还没有弄清楚，如成核位置的识别机制等，在生物矿化中基因控 制和基因表达及信号转导的一些问题仍处于探索阶段，还有很多问题需要解 决，如何用生物环境进行仿生合成的研究，如何对生物矿化的过程进行时实 监控，不同种蛋白质对生物矿化的影响以及产生影响的物理化学因素。这些 问题的解决有赖于我们的实验手段的不断提高和更多的实验数据的积累，为 真正实现人体合成生物矿物打下基础。目前制备磷灰石有机物复合类骨仿 生材料有多种方法，如磷灰石与胶原直接共混，模拟生理环境浸泡法，前驱 液矿化沉积法，共沉淀法等。 利用生物系统在分子水平上储存和加工信息的功能，在体外模拟天然骨 生物矿化和自组装机制可制备出羟基磷灰石胶原类骨仿生材料用于骨组织 工程。但胶原蛋白由于其昂贵的价格，以及其来自于异种动物而易引起的生 物体异源性反应，还有伦理等方面的因素，使其作为骨替代材料有机相的应 用受到很大的局限，研究者们一直在努力寻找一种性能优异的胶原替代物。 来扮演胶原蛋白在骨形成过程中的角色。 1 3 3 羟基磷灰石聚合物复合材料 生物材料用于骨组织修复、替换历史久远早在公元前3 5 0 0 年，古埃及 人就利用陶土为修建金字塔的工人修复骨折，以棉花纤维、马鬃做缝合线： 1 6 世纪开始用黄金修复颚骨；用金属固定内骨板及金属种植牙齿，直到2 0 世纪7 0 年代发现钙磷系生物陶瓷和玻璃的特殊生物相容性后，骨组织修复、 替换材料研究进入了新的发展时期。在对天然生物材料的形成及其性质的研 究发现：天然生物材料的特殊性能都与其细微的纳米微结构有关，人的牙齿 非常耐磨，人骨具有优异的力学性能，原因就是，其基本构成物纳米磷灰石 粒子的有序定向生长。天然珍珠壳和人工釉瓷虽有相似的强度，但韧性相差 很大，珍珠壳的高韧性是由于无机纳米碳酸钙与有机纳米薄膜交替叠加而形 成，生物材料这种优异的生长方式给材料设计以极大的启示! 通过和高分子 材料等复合，不仅可以调节材料的力学性能使之与骨组织相匹配，而且还可 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 以赋予聚合物材料生物活性，增强复合物与骨组织键合的能力，目前研究的 可选聚合物主要有： 1 ) 人工合成医用非降解聚合物( p e 、p v a 等) 最具代表性的是b o n f i e t d 。1 在8 0 年代早期研制的h a p e 复合材料，这种材 料最大的优点是弹性模量与皮质骨接近，避免了常规材料所产生的应力屏蔽 现象，但其强度和刚度仍低于皮质骨，且由于h a 与p e 之间的界面与体液的相 互作用会使力学性能发生退化，因此不能用于承力较大部位的骨替换，且p e 的存在降低了复合材料的生物活性。 2 ) 人工合成医用可降解聚合物( p l a 、p c l 、p a 等) s h i k i n a m i 酬将h a 均匀分散于p l a 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和骨结合能力，弹性模量为7 8g p a ， 材科浸入模拟体液中3 天后表面有大量h a 晶体沉积，但其力学性能较差，但同 时也有很多有关p l a 降解产物毒性的负面报导。 3 ) 蛋白质材料( 纤维蛋白s i l k 等) 丝素类胶原蛋白材料是一个不错的替代胶原蛋白选择，前期相关研究众 多，如l us z “”等采用用氢氧化钙与磷酸湿法合成羟基磷灰石，加入丝素蛋白 以诱导羟基磷灰石晶体的定向生长，制得h a 晶体长度在1 0 0 - 4 0 0 n m ，宽度在 3 0 8 0 n m 之间，以仿生的方法得到复合颗粒，其组成和结构与入骨组织中纳 米微晶非常相似；通过评价丝素蛋白的仿生矿化特性，为研制新型丝素蛋白 h a 复合生物材料提供实验依据。z h a oy 1 ”等，采用氯化钙和磷酸氢二钠缓 冲溶液交替矿化的方法，在丝素膜上仿生沉积羟基磷灰石，结果表明，随着 矿化周期的增加，丝素膜上沉积的磷灰石数量逐渐增多、体积逐步增大、结 晶度越来越高，矿化形成了针状类骨磷灰石晶体，晶体长约0 3 5pm ，直径 约3 0 n m 。a k a r it a k e u c h i 研究表明“”，在仿生体液中，磷灰石能够沉积于蚕 丝纤维表面，因此可将丝蛋白作为模板，调节羟基磷灰石纳米晶体的矿化。 在仿生矿化过程中，丝蛋白的某些功能基团( 如羧基) 对磷灰石的异相成核起 着重要作用。 丝素蛋白作为一种类胶原蛋白，不仅在结构而且在性能上，都能够很好 的模拟骨胶原蛋白。从材料学的角度看，自然骨是由有机质( 胶原) 的增强 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 相和纳米无机相( 羟基磷灰石) 组成的复合材料，丝素蛋白纤维不仅与天然 胶原一样起支持细胞黏附、分化和生长的作用，而且是生物相容性良好的、 具有独特机械特性并能在较长时自j 内缓释降解的一类新型生物材料。如支架 材料的生物相容性和细胞粘附能力又是至关重要的。目前在生物仿生骨中使 用的有机相，主要是聚乳酸等脂肪族聚酯材料，它们在降解性等方面都基本 上能满足支架材料的应用，但在生物相容性和细胞粘附能力方面却远不如蚕 丝等天然高分子，由于丝素具有众多优点，以及h a 优良的生物学性能，二 者结合制备的羟基磷灰石丝素复合材料不仅可以调节力学性能使之与骨组 织相匹配，而且还可以增强s f 与骨组织键合的能力，是国内外生物材料界 研究的焦点及趋势。羟基磷灰石丝素材料无论是结构上还是成份上都很好的 模拟了人体骨，有望获得生物学和力学性能得到改善的生物复合植入材料。 丝素结构与组成 丝素( s i i kf i b r o i n ，简称s f ) 和丝胶( s i l ks e r i c i n ，简称s s ) 两 种天然蛋白质构成蚕丝蛋白，蚕丝分子量为5 5 ，0 0 0 1 5 0 ，0 0 0 ，聚合度为 4 0 0 5 0 0 氨基酸单元。其中，丝素形成蚕丝长丝，约占蚕丝重量的7 0 8 0 ， 是蚕丝的主要组成部分，它赋予蚕丝许多独特的物理化学性能“”；丝胶为球 状蛋白，1 8 种氨基酸组成，含有的极性侧链的氨基酸比例较丝素高，约为 8 1 5 w t ，其中丝氨酸的含量约为3 2 w t “，甘氨酸、丝氨酸及天门冬氨酸 的含量占氨基酸总含量的6 0 m 0 1 以上“”。丝胶是5 6 条多肽组成的混合 体，在分子量( 约为4 0 4 0 0 k d a ) 、化学组成、结构性能等具体方面存在着 很大差异“，其具体组成可参见表1 1 及表1 2 ： 表1 1 蚕丝纯学组成 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 丝素( s f ) ：是由乙氨酸( 4 2 8 ) 、丙氨酸( 3 2 4 ) 、丝氨酸( 1 4 7 ) 、 酪氨酸( 1 1 8 9 6 ) 等1 8 种氨基酸所组成，为纤维状蛋白，难溶于水，是一种含 氮的高聚物，分子量约为3 5 0 k d a ，约占蚕丝重量的7 0 - 8 0 ，其中小侧基的 甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸位于丝素蛋白的结晶区，约占总组成的8 5 m 0 1 ( 7 9 w t ) ，且三者的摩尔比为3 ：2 ：l ，而带有较大侧基的苯丙氨酸、酪氨 酸、色氨酸等则主要存在于非晶区，结晶度为如4 0 一5 0 。结晶区与非晶 区交替分布。每一个结晶区和非晶区都含有若干条肽链的链段，而