硕士论文-新型有序纳米介孔生物玻璃材料的合成与体外生物活性研.pdf

复旦大学 硕士学位论文 新型有序纳米介孔生物玻璃材料的合成与体外生物活性研究 姓名：严晓霞 申请学位级别：硕士 专业：无机化学 指导教师：余承忠 20060430 复旦大学硕士毕业论文 摘要 摘要 生物活性玻璃( B i o a c t i v eG l a s s e s ，B G ) 是一类重要的骨修复材料，其组成为二 氧化硅、氧化钙、五氧化二磷，亦可添加少量的N a 2 0 ，M g O 等。当植入人体内，B G 能与骨形成紧密结合，并迅速有效地促进骨修复，因而具有很好的成骨性能；同时 B G 还具有优越的生物相容性和自降解性能。目前B G 已经通过美国F D A 认证，可以 用作多种临床手术后的骨修复材料。近来又发现B G 中的离子溶解产物可以激活基因 的表达。这些广阔的应用前景促使人们对B G 的成骨机理作更深入的研究，同时制备 成骨活性更佳的生物材料。 制各B G 材料的方法可分为熔融烧结法和溶胶凝胶法两大类，其生物活性与组 分、孔容以及孔径等结构相关。前期研究表明：只有大于2n m 的介孔才能有效地诱 导骨生长，同时提高介孔孔容亦对提高生物活性有利。需要指出的是，溶胶凝胶法 所合成常规B G 材料中也具有无规则的纳米孔，但其孔分布较宽，孔体积相对较小。 此外，由于传统B G 材料的孔容、孔径随组分的变化而变化，组分均一性也较差，因 此，传统B G 材料中组分和活性的关系并没有被真正地揭示出来。如何有效地控制 B G 材料的结构和组成，深入理解组成一生物活性、结构生物活性的关联，进而理性 地设计合成，制备出成骨活性更高的生物玻璃材料，具有重大的理论价值和实际意 义。 本论文针对目前研究中存在的问题，提出了利用表面活性剂自组装制备新型有 序纳米介孔生物玻璃( M e s o p o r o u sB i o a c t i v eG l a s s e s ，M B G ) 材料的新方法。介孔材 料最突出的特点就是介孔的孔径分布均一、可调，比表面积以及孔容较大。期望利 用介孔材料的这些特点，获得组分、结构可控，生物性能更佳的新型生物玻璃材料。 通过采用溶剂挥发诱导自组装并结合溶胶一凝胶技术，我们制备了一类新型 M B G 材料。通过改变无机前驱物的投入比、焙烧温度、表面活性剂种类等方法，获 得了一系列不同组成、不同焙烧温度、不同孔径的M B G 材料。在不同组成( S i 0 2 含量6 0 1 0 0 ) 时，用相同表面活性剂为模板所制备M B G 的孔结构不随组分的改 变而改变，比表面和孔容相对较大且一致，孔径分布狭窄均一，孔道形状相同，这 表明M B G 具有与传统B G 材料完全不同的成孔机制。此外，M B G 组分均匀性好， 无机物种C a O 等以无定形的方式在纳米尺度均匀地分布在S i 0 2 的骨架中。在用不 同焙烧温度( 8 7 3 1 1 7 3K ) 处理M B G 的情况下，当焙烧温度不超过1 0 7 3K 时， M B G 呈现出有序的介观结构，当温度为1 1 7 3K 时由于强烈的晶化导致介观结构坍 塌。利用不同分子量大小的表面活性剂，制备得到不同孔径( 2 0 ，3 4 ，5 0 ，6 4n m ) 复旦大学硕士毕业论文摘要 的M B G 材料。通过研究M B G 材料在水中的溶出行为，说明M B G 材料具有很好的 降解能力；此外，通过改变相关工艺，还可得到不同宏观形貌的M B G ( 如膜、单片、 纤维、多级结构) 。 我们通过控制M B G 材料的化学组分、化学结构、7 L 结构各个参数，对M B G 材料的体外生物活性进行了系统的研究。首先，我们考察了不同组分M B G 材料的 体外成骨行为，得到如下次序：8 0 S 1 5 C 7 0 S 2 5 C ) 6 0 s 3 5 C 9 0 S 5 C 1 0 0 S 。这与 传统B G 材料的生物活性顺序相差很大：在B G 中8 0 S 组分的生物活性很弱，而6 0 S 组分是里面最好的。导致这一差别的原因在于B G 材料的孔结构随组成的改变而改 变，所以不能真正合理地研究与揭示材料的组成、结构与成骨性能之间的关系。在 经过不同温度焙烧的M B G 例子中获得了9 7 3 皂8 7 3 1 0 7 3 1 1 7 3K 的生物活性规 律。在不同孔径的情况下，我们得到了相同组分M B G 材料的体外生物活性顺序为 6 4 5 0 3 4 2 0 蛳。通过实验发现除孑L 径外，墙壁厚度是影响离子溶出沉积的 一个重要因素。同时，我们通过引入计算在S B F 溶液中C a P 消耗总量、C a P 的I P 值与A C a a P L E 值这些方法，来衡量各种M B G 材料的体外成骨活性，一定程度 上可以揭示材料的成骨行为，对理解羟基磷灰石的成核生长机理，以及如何提高材 料的成骨能力，如何调控材料的离子释放行为等有很大的帮助。另外，我们还比较 了M B G 与B G 的体外生物活性，发现在相同的组分( 8 0 S 1 5 C ) 下M B G 的成骨性 能要优于传统的B G 材料。 在此基础上，我们又进步比较了M B G 与商品化生物玻璃N o v a b o n e 的体外生 物活性和生物相容性。与此同时，还对不同颗粒度的介孔生物玻璃的体外成骨性能 与降解能力进行了考察，其体外生物活性与降解能力均随着颗粒度的增大而减小。 体外生物活性实验表明，M B G 具有较高的生物活性，较强的降解性，且反应后对微 环境的p H 值的影响较小，可大致保持局部体液酸碱稳定。细胞毒性实验表明M B G 浸提培养液对成骨细胞的增殖和分化的作用明显优于商品化的N o v a b o n e 生物玻璃。 M B G 无细胞毒性反应。因此，M B G 作为一种新型的生物材料，具有良好的生物相 容性和生物活性，是一种很有前途的新型骨修复材料。 关键词：生物玻璃，介孔材料，羟基磷灰石，生物活性，骨修复 厂 复旦大学硕士毕业论文摘要 A b s t r a c t B i o a c t i v eg l a s s e s ( B G s ) a r ea l li m p o r t a n tf a m i l i yo fb o n e r e p a i r i n gb i o m a t e r i a l s G l a s s e sw i t hC a O - P 2 0 5 一S i 0 2 - M O ( M = N a ，M g , e t c ) c o m p o s i t i o n sc a r lc h e m i c a l l yb o n d w i t hl i v i n gb o n ew h e n i m 【p l a n t e d i n t ot h eh u m a nb o d y B e s i d e st h ee x c e l l e n t b o n e f o r m i n ga b i l i t y ，B G so w ns u p e r i o rb i o c o m p a t i b i l i t ya n dd e g r a d a b i l i t y T h e r e f o r e ， t h e yh a v eb e e nw i d e l yu s e di nav a r i e t yo fc l i n i c a la p p l i c a t i o n sa sb o n e r e p a i r i n g m a t e r i a l s R e c e n t l y ，i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h ed i s s o l u t i o np r o d u c t so fB G se x e r tag e n e t i c c o n t r o lo v e rt h eo s t e o b l a s tc e l lc y c l ea n dt h er a p i de x p r e s s i o no fg e n e st h a tr e g u l a t e o s t e o g e n e s i sa n dt h ep r o d u c t i o no fg r o w t hf a c t o r s T h ep r e s e n ta n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s o fb i o a c t i v eg l a s s e sa r es t i m u l a t i n gm o r ea n dm o r er e s e a r c he f f o r t so nt h ep r o f o u n d u n d e r s t a n d i n g o ft h e b o n e - f o r m i n gm e c h a n i s ma n d t h er a t i o n a ld e s i g no fb e t t e r b o n e - f o r m i n gb i o m a t e r i a l s T h e r ea r et w or o u t e st os y n t h e s i z eB G s ：t h em e l t i n ga n ds o l g e lm e t h o d s I na d d i t i o n t ot h ei n f l u e n c eo fc o m p o s i t i o n B G sw i t hm e s o p o r es i z e s 2n ma r eb e l i e v e dt ob e i m p o r t a n tt oa c h i e v i n gr a p i dc r y s t a l l i z a t i o no fH C A ；a n dg r e a t e rm e s o p o r ev o l u m ei s s u g g e s t e dt of a v o rt h eH C Af o r m a t i o np r o c e s s H o w e v e r ，t h ep o r e si nc o n v e n t i o n a lB G s a r ed i s o r d e r e da n dt h ep o r es i z e sa r en o tu n i f o r m l yd i s t r i b u t e d ，t h ep o r ev o l u m ei sa l s o r e l a t i v e l yl o w A c c o r d i n gt ot h e i rf o r m a t i o nm e c h a n i s m ，t h ep o r ev o l u m e ，p o r es i z e ，a n d p o r es t r u c t u r e so fB G sa r ei n f l u e n c e db yt h e i rc o m p o s i t i o n S o m er e s e a r c h e r sa l s o r e p o r t e dt h a tt h es o l - g e l d e r i v e dB G s a r eh e t e r o g e n e o u si nc o m p o s i t i o n S u c hr e s u l t s m a yt os o m ee x t e n td e s t r o yt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eb i o a c t i v i t ya n dc o m p o s i t i o no f B G sa n dt h u sc a n n o tf u l l yr e v e a lt h ei m p o r t a n tr o l eo ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r ei nt h e b o n e - f o r m i n ga b i l i t yo fs u c hb i o m a t e r i a l s I t i sa n t i c i p a t e dt h a tp r e c i s ec o n t r o lo v e r p o r o s i t y ，p o r es i z e ，a n di n t e r n a lp o r ea r c h i t e c t u r eo fB G s o nd i f f e r e n tl e n g t hs c a l e si s e s s e n t i a lf o rt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ec o m p o s i t i o n & s t r n c t u r e - b i o a c t i v i t yr e l a t i o n s h i pa n d t h er a t i o n a ld e s i g no fb e t t e rb o n e - f o r m i n gb i o m a t e f i a l s T h ea i mo fo u rs t u d yi st o d e s i g n an e wm e t h o dt op r e p a r eh i g h l yo r d e r e d m e s o p o r o u s b i o a c t i v e g l a s s e s ( M B G s ) b yu s i n g n o n i o n i cb l o c kc o p o l y m e r sa s s t r u c t u r e d i r e c t i n ga g e n t st h r o u g ha ne v a p o r a t i o n - i n d u c e ds e l f - a s s e m b l y ( E I S A ) p r o c e s s T h ed i s t i n c t i v ec h a r a c t e r so fm e s o p o r o u sm a t e r i a l sa r ct h e i ru n i f o r ma n da d j u s t a b l ep o r e p r o p e r t i e s0 0 r es i z e sa n dp o r es t r u c t u r e s ) ，h i g hs u r f a c ea r e aa n dl a r g ep o r ev o l u m e ，e t c 1 1 1 复旦大学硕士毕业论文摘要 I ti se x p e c t e dt h a tn o v e lb i o a c t i v eg l a s s e sw i t hc o n t r o l l a b l ec o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r ea n d s u p e r i o rb o n e f o r m i n ga b i l i t yc a nb eo b t a i n e d An e wc l a s so fM B G sw e r es y n t h e s i z e db yc o m b i n i n ga ne v a p o r a t i o n - i n d u c e d s e l f - a s s e m b l y ( E I S A ) a n ds o l - g e lp r o c e s s B yt u n i n gt h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n s ， c a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r e s ，a n ds t r u c t u r e d i r e c t i n ga g e n t s ，as e r i e so fM B G sw i t hd i f f e r e n t c o m p o s i t i o n s ，c a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r e s ，a n dp o r es i z e sw e r eo b t a i n e d T h ef o r m a t i o n m e c h a n i s m ( p o r e c o m p o s i t i o nd e p e n d e n c e ) a n dc o m p o s i t i o n a lh o m o g e n e i t yi nt h ec a s e o fM B Gm a t e r i a l sa r ed i f f e r e n tf r o mt h O S Ci nc o n v e n t i o n a lB G s U n l i k ec o n v e n t i o n a l s o l - g e l d e r i v e dB G st h a ts h o w sad i r e c tc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e i rc o m p o s i t i o na n dp o r e a r c h i t e c t u r e ，M B G sw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n s ( S 1 0 2 ：6 0 - 1 0 0m 0 1 ) m a yp o s s e s s s i m i l a r p o r e v o l u m ea n d u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d p o r e s i z ew h e nt h es a m e s t r u c t u r e - d i r e c t i n ga g e n t i su t i l i z e d T h ef r a m e w o r ko fM B Gi s h o m o g e n e o u s l y d i s t r i b u t e di nc o m p o s i t i o na tt h en a n o s c a l ea n dt h ei n o r g a n i cs p e c i e sg e n e r a l l ye x i s ti n t h ef o r mo fa m o r p h o u sp h a s e M B G sc a l c i n e da tt e m p e r a t u r e s = 1 0 7 3Ke x h i b i to r d e r e d m e s o p o r e s ；a th i 曲e rt e m p e r a t u r es u c ha s1 1 7 3K t h ei n o r g a n i cw a l lb e c o m e sc r y s t a l l i n e a n dt h em e s o s t r u c t u r ei sc o l l a p s e d M B G sw i t hd i f f e r e n tp o r es i z e sf 2 0 ，3 4 ，5 0 ，6 4n m ) w e r ep r e p a r e db yu s i n gs u r f a c t a n t sw i t hd i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h t s T h el e a c h i n gt e s to f M B Gi nw a t e ri n d i c a t e st h a tM B G sm a yh a v ee x c e l l e n td e g r a d a b i l i t yi nb o d yf l u i d ， w h i c hi si m p o r t a n tf o rp r o s p e c t i v eb i o a p p l i c a t i o n s I na d d i t i o n ，M B G sw i t hc o n t r o l l a b l e m o r p h o l o g i e s ( f i l m ，m o n o l i t h ，f i b e r ，e t c ) w e r ea l s os u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e d W es y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ei nv i t r ob i o a c t i v i t i e so fM B G st h r o u 【曲c o n t r o l l i n gt h e m a t e r i a lp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，c h e m i c a ls t r u c t u r e ，a n dt e x t u r a l p r o p e r t i e s F i r s t l y ，t h ei nv i t r ob i o a c t i v i t yo fM B G si sd e p e n d e n to nt h eS i C ar a t i oi nt h e n e t w o r kw h e nt h eo t h e rm a t e r i a lp a r a m e t e r ss u c ha st h em e s o s t r u c t u r ea n dt e x t u r e p r o p e r t i e s ( p o r es i z e ，p o r ev o l u m e ) a r ec o n t r o l l e d M B G sw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n s p o s s e s st h es e q u e n c eo ft h ei nv i t r ob i o a c t i v i t y ：8 0 S 1 5 C 7 0 S 2 5 C 6 0 S 3 5 C 9 0 S 5 C I O O S M B G8 0 S 1 5 Cw i t I lr e l a t i v e l yl o w e rc a l c i u mc o n t e n te x h i b i t st h eb e s ti nv i “D b i o a c t i v i t y ，i nc o n t r a s tt oc o n v e n t i o n a ls o l - 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g e l - d e r i v e dB G sw i t ht h es a m ec o m p o s i t i o n ( 8 0 s 1 5 c ) W ec o m p a r e dt h e nv i t r ob i o a c t i v i t i e so fM B G8 0 S 1 5 Ca n dc o m m e r c i a lN o v a b o n e b ys o a k i n gi ns t i m u l a t e db o d yf l u i d ( S B F ) T h e nv i t r or e s u l t ss h o wt h a tM B G h a sb e t t e r b i o a c f i v i f i e st h a nN o v a b o n e M o r e o v e r , t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e b i o a c t i v i t y d e g r a d a b i l i t ya n dp a r t i c l es i z e so fM B G m a t e r i a l sw a ss t u d i e d T h eb i o a c t i v i t y a n dd e g r a d a b i l i t yd e c r e a s ea st h ep a r t i c l es i z e si n c r e a s e H n a l l y ，t h ec y t o t o x i c i t i e so f M B G8 0 S 1 5 Ca n dN o v a b o n ew e r ee v a l u a t e d T h em a c e r a t i o ne x t r a c to fM B G p r o m o t e d t h em u l t i p l i c a t i o na n dd i f f e r e n t i a t i o no ft h em o u s eo s t e o b l a s t sm o r et h a nt h a to f N o v a b o n e T h et o x i c i t yg r a d a t i o no f8 0 SM B Gw a sr a n k e d0 1 A san e wf a m i l yo f b i o m a t e r i a l ，M B G sw i t hs u p e r i o rb i o a c t i v i t ya n ds a t i s f a c t o r yb i o c o m p a t i b i l i t ym a yb e u s e da si m p o r t a n tb o n e r e p a i r i n gm a t e r i a l si nt h ef u t u r e K e y w o r d s ：B i o a c t i v eg l a s s ；M e s o p o r o u sm a t e r i a l s ；B i o a c t i v i t y ；H y d r o x y a p a t i t e ； B o n er e p a i r V 复旦大学硕士学位论文英文缩写 论文中所涉及到的专业名词的缩写说明 主要试剂缩写： T E O S s i ( o c 2 H 5 ) 4 ，正硅酸乙酯 T E P ( C H 3 C H 2 0 ) 3 R 磷酸三乙酯 T r i s ( C H 2 0 H ) 3 C N H 2 ，三羟甲基氨基甲烷 P E O P P O - P E O 聚环氧乙烷聚环氧丙烷一聚环氧乙烷 E O 。p o l y ( e t h y l e n eo x i d e ) ，( C H 2 C H 2 0 ) 。，聚环氧乙烯醚( 嵌段) P O n p o l y ( p r o p y l e n eo x i d e ) ，( C H ( C H 3 ) C H 2 0 ) n ，聚环氧丙烯醚( 嵌段) B O n p o l y ( b u t y l e n eo x i d e ) ，( C H ( C H 2 C H 3 ) C H 2 0 ) 。，聚环氧丁烯醚( 嵌段) P l u r o n i cP 1 2 3 E 0 2 0P 0 7 0 E 0 2 0 P l u r o n i cP 6 5 - - - - E 0 2 0 P 0 3 0 E 0 2 0 P l u r o n i cP 8 5 - - - - - - E 0 2 6P 0 3 9 E 0 2 6 P l u r o n i cB 5 0 6 6 0 0 - - - - - - - E 0 3 9 8 0 4 7 E 0 3 9 P l u r o n i cF 1 0 8 E 0 1 3 2 P 0 5 0 E 0 1 3 2 P l u r o n i cF 1 2 7 E O l 0 6 P 0 7 0 E O l 0 6 R h o d a m e e nP N 一4 3 0 一C 1 8 N ( E 0 2 ) ( E 0 3 ) ，烷基胺聚氧乙烯醚 B 啕7 8 一C 1 8 E 0 2 0 ，烷基聚氧乙烯醚 仪器与表征方法缩写： X R D X 射线衍射 T E M 透射电子显微镜 S E M 扫描电子显微镜 I C P 等离子发射光谱仪 B E T B a r r e t t E m m e t t T e l l t e r B J H - 一- - - B a r r e t t - J o y n e r - H a l a n d a B d B B r o e k h o f fa n dd eB o e r 瓜红外光谱 T G A 热重分析 D T G 一微分热重 D T A 差热分析 E D S 能量分布谱 S A E D 选区电子衍射谱 其它缩写： E I S A 溶剂挥发诱导自组装 S o l - g e l 溶胶一凝胶 S B F 人体模拟溶液 H C A 含碳羟基磷灰石 I n v i t r o 体外 I n - v i v o 体内 B G 生物活性玻璃 M B G 介孔生物活性玻璃 V I 复旦大学硕士毕业论文第一章 第一章文献综述 1 1 骨与骨缺损 1 1 1 骨的化学成分与作用 众所周知，骨骼是人体重要的组织和器官 1 】o 它在人体中起着支架作用，担 负着支持身体、保护其它器官，承重、造血、贮钙、代谢等功能。骨骼的刚度是 肢体功能的基础，骨骼是肌肉运动的杠杆、关节活动的支柱，它使机体受力后得 以支持而无明显变形( 表1 1 ) 。 表1 1 人体骨骼的生物力学性能( M P a ) 一块完整的活骨是由骨膜、骨质和骨髓三大基本结构和分布其上的血管和神 经所组成。骨质又称骨基质，实际上就是钙化的细胞间质，由有机质和无机质两 种成分构成( 图1 1 ) 。有机质主要成分为由成骨细胞合成并分泌的胶原纤维( 约 占有机质的9 5 ) ，即通常所称的骨胶原( b o n ec o l l a g e n ) ，其中含大量I 型胶原 蛋白和极少量的v 型胶原蛋白，纤维与纤维之间以两种编排方向交织成网状。无 机质又称无机盐，约占密质骨干重7 5 ，其成分主要是羟基磷灰石结晶 C a t o ( P 0 4 ) 6 ( o i - i ) 2 1 【2 J 。骨骼中的磷酸盐不同于化学计量羟基磷灰石，它是一种直 径约5 2 0n m ，长约6 0n m 的针状且结晶不完善的晶体，钙磷摩尔比在1 6 7 1 5 范 围的非化学计量羟基磷灰石( 又称为碳酸盐羟基磷灰石) ，其中包含有C 0 3 二、F 、 N a 等杂质，主要杂质成分为碳酸盐，占无机盐重量的5 _ 8 ，其它杂质含量很少。 图1 1 胶原纤维与羟基磷灰石的结构示意图 复旦大学硕士毕业论文 第一章 胶原纤维的抗压性和弹性均较差，羟基磷灰石结晶则脆而易碎。但在骨基质 中针状的羟基磷灰石晶体分布于呈网状排布的胶原纤维上，其中心晶轴与胶原纤 维长轴平行，这种复合结构使骨组织同时兼备坚固和韧性。这是任何一种单一材 料所无法比拟的，其整体性能相当完美( 图1 2 ) 【3 】o 图1 - 2 骨的多级结构示意图 1 1 2 骨缺损 理论上，骨缺损是指由于某种原因骨折端丧失了一些骨质而形成的间隙，它 在临床上十分常见，可由多种因素引起，如创伤、骨肿瘤瘤段切除、骨组织炎症 及先天性缺陷等。 骨缺损是一类最常见的疾病，我国每年涉及骨缺损疾病的患者多达数百万 人。尽管人骨具有一定的再生能力，然而由于骨缺损形成的骨间隙阻碍了骨细胞 的爬行，因而不能发生正常的愈合过程，一般只能在骨缺损区域形成纤维组织充 填，造成骨不连接，使骨愈合效果不好。除了某些血运较好部位且小的骨缺损可 以靠骨折端周围的骨膜及骨髓等组织的成骨作用愈合外，大块骨缺损的愈合十分 困难。因此，I 临床上常采用骨修复或骨移植手术治疗骨缺损疾病。 1 2 骨缺损修复材料 1 2 1 骨修复 复旦大学硕士毕业论文 第一章 长期以来，骨缺损修复一直是生物材料和医学领域研究的重要课题。随着人 类医疗水平的提高和人们对于生活质量要求的不断增加，全球对生物医学材料及 其制品的需求逐年增加。一个新兴的生物材料产业正在兴起，其市场销售额正在 逐年递增。预计2 0 年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为国民经 济的一个支柱产业。生物医学材料的发展将成为材料工业发展的重要方面之一， 很多国家都纷纷确定将生物医学材料作为优先发展的领域。 目前，在l 瞄床治疗中对于骨缺损的修复，主要是通过在骨缺损区植入骨修复 材料，以此来治疗由损伤、先天畸形、感染和肿瘤而造成的骨缺损疾病，促进骨 骼的再生和修复。因此，对于骨修复材料的选择显得尤为重要，直接关系到骨缺 损手术的修复效果。临床上常用的骨修复材料以材料自身的来源来划分，主要有 两大类：天然骨及其衍生材料( 包括自体骨、同种异体骨、异种骨) 和人工骨及 其复合材料( 包括羟基磷灰石陶瓷、生物玻璃陶瓷、骨水泥、高分子聚合物等) 】。 骨修复具有三种生物力学性能：骨生成性( O s t e o g e n e s i s ) 、骨引导性 ( O s t e o c o n d u c f i o n ) 和骨诱导性( O s t e o i n d u c t i o n ) 。骨生成性指的是植骨材料 的骨形成能力，也就是植骨材料本身是否带有能形成骨组织的细胞，具有自发成 骨能力【6 J 。骨引导性( 或骨传导性) 是指引导萌发的毛细血管、血管周围组织以 及成骨细胞向植骨材料内部长入的能力。而骨诱导性则是指在骨形态蛋白B M P ( 是一种与骨细胞分化有关的糖蛋白，属于骨基质中的非胶原蛋白；主要作用是 能诱导血管周围的间充质型细胞分化为骨和软骨，促进骨形成。) 的影响下，诱 导局部间充质细胞分化成骨细胞或软骨细胞的能力。材料成骨的机制主要依赖于 材料本身的来源和组成。任何一种植骨材料至少得具备某种或模拟某种成骨特 性。目前常用的植骨材料中，只有新鲜的自体骨具有骨生成性。因此，在这三种 生物性能中，骨诱导作用是骨移植的主要目的。随着人类医疗水平的进步和生物 材料学的发展，人们已意识到理想的骨修复材料应该具有骨引导性和一定的骨诱 导性，良好的生物相容性和可降解性，和一定的机械性能等。 生物相容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 是指生命体组织与非生命体材料产生合乎要 求的反应的一种生物学性能，具体可分为血液相容性和组织相容性。对生物医学 材料必须进行生物相容性评价，并要求材料植入人体内后，宿主与材料的相互作 用保持在可接受水平，这种相互作用包括宿主反应和材料反应两个方面：宿主反 应包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱 变、致畸和免疫反应等，其结果可能导致对有机体的毒副作用和有机体对材料的 排斥。材料反应主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质发生变 化，甚至破坏。 复旦大学硕士毕业论文 第一章 生物降解性( b i o d e g r a d a b i l i t y ) 是指非生命体材料在生物体内能逐步降解、 吸收，最终被新骨取代。降解速度和载体内成骨速度相适应，以使新生骨组织在 组织学和力学上最终取代载体；生物降解主要有两个途径：在体液中溶解或被细 胞吞噬和消化。 此外，骨修复材料应满足一定的硬度、强度和韧性的机械性能要求。对于不 同程度和不同部位的骨缺损，对其机械性能的要求也有不同。 1 2 2 天然骨缺损修复材料 通常人们选择材料时，都会先想到从自然界中寻找材料，下面介绍几种常用 的天然骨缺损修复材料【7 1 ： 一、自体骨( a u t o g r a f t ) 自体骨是公认的理想植骨材料，由于具有极高的骨生成性和绝佳的生物相容 性，是充填骨缺损的最佳选择，可为骨再生提供支架结构【”。 然而，自体骨植骨由于需要开辟第二术区，给患者增加了痛苦，是一种“以 伤治伤”的办法；术后取骨区可能会出现相关的一些并发症；而且由于自体骨来 源有限，故仅适用于较小的骨缺损的治疗，特别对于儿童、有骨质疏松的老年患 者及需要大量植骨者而言，由于无法满足自体骨移植手术需求而限制了其临床应 用。 二、同种异体骨( a l l o g r a f t ) 同种异体骨的基本类型有冷冻骨、冻干骨、脱矿冷冻骨和异体骨基质明胶等。 应用同种异体骨作为植骨材料的优点是解决了自体骨来源有限的问题，同时 避免了为患者开辟第二术区，减少了麻醉和手术时间，降低了术中出血量及术后 并发症川。 尽管异体骨具有自体骨的一些优越的组织特点，但也带来了本身固有的弱 点，如存在免疫排斥反应，并有感染H I V 和肝炎等病毒的可能，这是因为异体 供骨具有很强的免疫原性，不能直接用于骨缺损的修复，通过脱脂、脱矿、冻干 和深低温处理技术等综合处理，可明显降低其免疫原性。然而众多研究表明，免 疫原性和诱导活性具有共同的物质基础，在消除抗原性的同时也破坏了骨诱导活 性，而仅有良好的引导宿主新生骨生长的支架作用；且仍有不同程度的免疫原性。 并且当H I V 等病毒存在于同种异体骨内时，普通的处理过程( 洗脱、冷冻干燥) 也未必能使病毒失活。 另外，同种异体骨材料的质量也依赖于供者的