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材料科技进展小论文题目: 关节软骨置换材料研究进展 院 系： 材料科学与工程学院 专业班级： 复合材料08-1 学 号： 2008300025 学生姓名： 杨程 任课教师： 胡路阳 2011年 6 月 1 日 学生姓名： 杨程 学号： 2008300025 专业班级： 复合材料08-1 论文题目： 关节软骨置换材料研究进展 任课教师评语：成绩： 任课教师： 年 月 日关节软骨置换材料研究进展摘要：关节软骨如果损伤就很难恢复，且有可能留下后遗症，而关节软骨的自身修复能力有限，医学上对损伤软骨的修复一直是一项难题。目前主要有软骨置换、组织功能化、软骨置换等方法修复。而本文主要介绍了几种修复材料的研究进展，并着重介绍了层状仿生关节软骨修复与置换材料的制备与其简单的力学性能。关键词：软骨修复、替换材料、修复材料Abstract: the articular cartilage is hard to recover, if damage and may leave sequela of articular cartilage, and their repair ability is limited, medicine for damage on the repair cartilage is always a problem. At present the main have cartilage replacement, organization function and cartilage repair methods such as replacement. This paper mainly introduced the research progress of several restorative materials, and emphatically introduces the layered bionic articular cartilage repair and replacement of materials with simple mechanical properties of preparation.Keywords: cartilage repair, replacement of materials, restorative materials0 引言关节软骨的损伤和病变是临床骨科常见疾病，随着年龄的增加，其发病比率也不断升高。特别是人类趋向老龄化，骨关节疾病越来越成为影响人们健康的主要原因之一。由于关节软骨没有血管、神经及淋巴组织，自身修复能力有限，一旦发生损伤病变，必须进行修复或置换，如何有效地修复关节软骨损伤始终是医学界尚待解决的难题之一。迄今为止，临床上对关节软骨缺损的修复主要采用关节内腔镜清创术和软骨移植。但清创术并不能诱导关节软骨进行自修复，且随着术后时间的延长其疗效越来越差；软骨移植的供体来源有限，异体骨移植所带来的问题除供受体之间不匹配外，还存在免疫排斥反应；组织工程化关节软骨被认为是最有应用前景的关节软骨修复材料，但组织工程化涉及到生命科学、仿生学、材料科学及基因工程等多种学科的交叉，目前还处于试验的探索阶段，离临床应用还有很大的一段距离。因此，许多学者开始致力于关节软骨置换材料的研究，希望能够找出高效替换受伤软骨的材料。1、置换材料 水凝胶具有与关节软骨相似的结构和高含水量，耐磨凝胶类关节软骨修复材料的研究越来越受到国内外学者的关注，成为关节软骨修复材料的另一热点研究方向。目前主要用于修复关节软骨的材料有：聚乙烯醇水凝胶、聚氨酯（RU）、聚酰胺66以及各种复合水凝胶等。1.1、聚乙烯醇水凝胶聚乙烯醇是由聚醋酸乙烯酯水解成的一种聚合物，其水凝胶由亲水性大分子经过物理、化学、辐射等方法交联而成的网状水溶体26、27.。聚乙烯醇水凝胶的网状结构，由四川大学纳米分析得其孔径为150400um，孔隙率为78.5%，含水率为76.4%，与自然软骨的组成形式十分相似。而其在物理性质方面相比较于其它人工合成材料更加接近于活体组织，其良好的扩展特性和水分子等的透过性使其生物相容性良好【1】。而它的柔韧性、高弹性、生物力学性能、表面摩擦系数等性能都与自然软骨组织十分接近，所以PVA是一种公认良好的替代关节软骨的修复材料【2-6】。但单独使用pva修复关节软骨仍有一些问题，如PVA无生物活性，无法很好的与自身骨质相结合，从而造成软骨的修复、固定等问题无法解决。12、聚氨酯由四川大学纳米分析测试中心制备的聚氨酯材料呈现多孔网状结构，与自然软骨组织相似，而其良好的组织相容性和血液相容性，良好的耐磨性，容易加工成型等优异性能，使聚氨酯再血液接触材料及组织工程的支架材料中得到广泛运用【7、8】。1.3、聚酰胺66聚酰胺66分子是一种与自然骨中骨胶原极其相似的多孔网状结构的大分子，其多孔结构有利于组织细胞的长入，如纤维组织、骨组织等，从而能形成防止植入的关节软骨因时间过长而产生移动错位的生物牢固自锁固定。但郭忠鹏等【9】研究表明聚酰胺66对软骨细胞的诱导及增殖分化能力较差，不能形成成熟的透明软骨组织。1.4、聚氨酯/纳米羟基磷灰石+聚酰胺66这种材料模仿了自然骨中的无机与有机成分的配比，将纳米羟基磷灰石与高分子聚酰胺66材料按照一定比例结合，将纳米羟基磷灰石材料的高强度与生物相容性与聚酰胺66的良好韧性相结合，形成新型的人工仿生材料（nHA+PA66），能很好的接近自然骨的结构和性能【8、10、11】。彭超等【8】人实验表明，聚氨酯植入后周边软骨未见明显退化，说明聚氨酯与周边软骨有良好的生物相容性。多孔PV/nHA+PA66材料在修复关节软骨时具有良好的生物相容性，多孔PV由于其性能植入后可某种程度上解决关节面的光滑，减轻关节面的磨损。而下层的nHA+PA66可与骨组织融为一体，解决了材料植入后的固定问题。为关节软骨的修复提供了一种可供选择的替代材料。1.5、PVA/nHA前文中提到单独的PVA水凝胶存在一定的缺点，需要进一步改善才能作为相应的修复关节软骨材料。HA为天然骨成分的一种矿化机制，其良好的生物学活性和高强度可解决单独PVA水凝胶的问题。潘育松等【6、12】人证明了在各种条件下制备的PVA/nHA的结构表征、拉伸、压缩、应力松弛、动态力学、生物摩擦学性能、生物相容性等各种性能与天然软骨相关特性相近。2、层状仿生关节软骨修复与置换材料自然骨头中的无机物主要成分是羟基磷灰石，所以羟基磷灰石临床上已验证有很好的生物活性，故已在临床关节修复中得到广泛应用。nano-HA/PVA材料的生物相容性良好, 力学性质特殊, 有可能用于替代关节软骨修复关节软骨缺损。虽然还不可能使关节软骨完全再生修复, 但它可以明显降低软骨的磨损, 改善负重功能, 从而延缓甚至阻止创伤性关节炎的发生与发展, 有很好的应用前景。不过, 尽管目前有些国家已经生产出成分类似可以在临床试用的人工关节软骨, 但是nano-HA/PVA材料修复的长期效果还没有得到充分的研究, 而且其润滑性能、修复后发生老化和磨损都还需要进一步深人研究。对于目前的各种软骨修复材料，仅仅单一的替代材料并不能满足替代损伤关节软骨的各方面性能，而随着复合材料理论的发展，各种材料的复合已成为一种趋势，其能在力学性能、生物润湿性能、生物摩擦学性能都能很好的满足要求，成为当前软骨修复材料的主要研究方向。而前文中已经提到各种水凝胶存在的不足，潘育松目前正在研究的层状仿生关节软骨修复与置换材料可以很好的解决这些问题。将生物活性nano-HA与PVA水凝胶梯度复合，制备梯度nano-HA/PVA凝胶复合材料，不仅可赋予梯度nano-HA/PVA凝胶软骨修复材料生物活性和生物力学性能，还可在植入材料与骨的连接部位诱导骨细胞生长进入软骨假体形成与天然软骨相似的骨性连接，并提高复合材料的力学性能和增强植入材料与宿主的力学相容性。前文中已经提到了HA/PVA凝胶复合材料，但是因为羟基磷灰石和PVA的含量一直无法得到一个完美的配比，不是羟基磷灰石的含量过高，导致材料的整体力学性能下降，就是PVA的含量过高，材料的生物相容性得不到要求。由于上述的原因，潘育松博士提出了层状材料，将材料整体分成数层，底层的羟基磷灰石含量相对较高，生物活性可以达到要求，顶层的PVA含量相对较高，可以在力学性能上达到置换关节软骨的要求，而中间加上N层的过渡层，增强界面之间的结合效果。下面分别简单介绍了层状仿生关节软骨修复与置换材料的制作过程和力学性能研究。2.1 实验原材料浓度为95wtCa (OH)2（中国医药集团上海化学试剂公司，分析纯）；浓度为85wtH3PO4（中国医药集团上海化学试剂公司，分析纯）； PVA：分子量 7480079200，平均聚合度为175050，挥发度 0.9，氢氧化钠含量 0.2（中国医药集团上海化学试剂公司）；蒸馏水。2.2 层状仿生关节软骨修复材料的制备称取一定质量的氢氧化钙Ca(OH)2粒子（200目）用蒸馏水配制成一定浓度的悬浮液；然后按计量加入适量PVA；将配制好的Ca（OH）2和PVA的混合溶液用恒温加热器加热至90并搅拌均匀，待PVA完全融解后，按Ca : P=5:3的摩尔比缓慢滴加0.5 M 的磷酸H3PO4溶液。充分反应12 h后，将反应所得的溶液倒入模具中，然后将含有混合溶液的模具置于-20的冰箱中冷端20min；再按以上的方法配制不同含量的纳米羟基磷灰石与PVA的混合溶液，随后将此混合溶液浇注于先前制备的混合溶液上层后再置于-20的冰箱中；按此方法循环制备。最后将分层浇注的混合溶液置于-20的冰箱中进行急冷14h，然后取出在室温中解冻12 h。以上过程称作1次冷冻-解冻循环（N=1）。重复冷冻-解冻循环过程，可制备不同冷冻-解冻循环次数的梯度nano-HA/PVA凝胶复合材料样品。图1给出了利用原位合成-分层浇注-冷冻解冻相结合的方法制备梯度nano-HA/PVA凝胶复合材料的制备工艺流程图。图1 梯度nano-HA/PVA凝胶仿生关节软骨修复材料2.3、实验小结（1）、层状nano-HA/PVA凝胶复合材料的应力应变特征呈现非线性力学行为，这种复合材料是典型的粘弹性材料。复合材料的压缩强度、压缩模量随应变的变化规律均符合指数函数关系。（2）、层状nano-HA/PVA凝胶复合材料的压缩强度随层间浓度梯度的增加而下降，随冷冻-解冻循环次数的增加而增加。此外，层状复合材料的压缩强度随HA总含量的增加而上升，而层数对复合材料压缩强度的影响不显著。（3）、层状nano-HA/PVA凝胶复合材料的压缩模量均随冷冻-解冻循环次数、纳米羟基磷灰石总含量及基体PVA浓度的增加而增加，随着层间浓度梯度的增加而降低。（4）、层状 nano-HA/PVA凝胶复合材料的力学特征与天然的关节软骨十分相似，是一种优秀的关节软骨修复材料。3、展望：（1）、希望能够研究出能自我修复的材料，因为上面所说的材料都有一定的使用寿命，大约为20年左右，所以青壮年使用者因为第二次置换而痛苦万分。如果能研究出可自我修复的置换材料，材料自身可以在身体内环境中吸取所需元素进行修复，或者在患处注射所需原料而进行修复，而无需再经过手术置换新的材料。（2）、应设法延长材料的使用寿命，以减轻患者再次更换时的痛苦。（3）、研究各种修复材料的生物摩擦学性能，以更好的适应自然软骨置换的使用。参考文献：【1】、Xu FL，Li YB，Li JD，et al.Cailiao Gongcheng 2005；50（7）：15-18许凤兰, 李玉宝, 李吉东，等.纳米羟基磷灰石聚乙烯醇复合水凝胶的溶胀性J.材料工程，2005，50（7）：15-18【2】 Katta JK, Marcolongo MS, Lowman AM，et al. 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