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羟基磷灰石 胶原蛋白复合生物材料的制备与研究 化学化工学院化学11 2班冯波 随着社会的进步与人们生活水平的提高 人们的平均寿命不断延长 但人体本身的老化却不可避免 世界人口老龄化问题日益突显 人体的老化过30岁就开始了 人体的结缔组织 特别是保持人体直立姿势的骨骼组织随之开始劣化 随着年龄的增长 由于骨组织的变化 其强度逐渐降低 发生骨折的几率增大 此外 由于某种如外伤 感染 肿瘤 事故或矫形手术等因素而使骨丧失了一些骨质 形成较大的间隙 称为骨缺损 由于缺损间隙大 绝大多数骨缺损难以自行愈合 最后形成骨不连 Page 2 羟基磷灰石 hydroxyapatite简称HAP 分子式是cal0 PO4 6 OH 2 羟基磷灰石 HydroxyaPatite HAP 是人体和动物骨骼 牙齿的主要无机成分 优点 具有良好的生物相容性 生物活性 骨传导性 缺点 粒状HAP缺乏可塑性 材料植入后易发生颗粒移动 难以达到理想操作和准确植入 降解速率太慢 骨诱导性较差 胶原蛋白是蛋白质中的一种 英文名 collagenprotein 它主要存在于动物的皮 骨 软骨 牙齿 肌膜 韧带和血管中 是结缔组织极重要的结构蛋白质 起着支撑器官 保护机体的功能 优点 具有良好的生物学特性 能与各种细胞结合以构成性能各异的组织 缺点 单独使用时则吸收快 机械性能差 Page 3 羟基磷灰石 胶原蛋白复合生物材料 以胶原蛋白与HAP复合则较好地利用了胶原蛋白的粘结性而克服了HAP颗粒的流动性 胶原蛋白和羟基磷灰石为主要原料 制成了羟基磷灰石和胶原蛋白复合多孔支架材料 利用胶原蛋白的粘结性 通过物理发泡 形成多孔的三维立体网状结构 这将有利于成骨细胞在支架材料上的附着和繁殖 另外 由于天然骨主要由纳米磷灰石晶体和胶原纤维束组成的胞外基质 仿生角度出发 制备了仿天然骨成分 结构和特性的微米 纳米 羟基磷灰石与胶原蛋白的复合材料 微米 纳米 羟基磷灰石与胶原蛋白的复合材料克服了两种材料单独使用的局性 Page 4 Page 5 物理发泡所得到的样品的孔径在800nm下 100nm 700nm的孔所占的体积百分数为63 5 占所有孔体积的74 3 这种具有梯度孔径且三维连通的孔结构使材料具有较大的比表面积 有利于细胞在支架上的增殖和骨在支架上的传导 Page 6 由图中 a 可以看出 样品的孔呈不规则形态 孔径不一 孔与孔之间相互连通 且在样品的大孔壁上存在大量的小孔 从而进一步保证了陶瓷支架材料的三维连通性 这些通道的存在有利于营养物质向支架内部运输 由图 b 可以看出 样品的孔壁凹凸不平 有颗粒状突起 并有一些沟槽 材料的表面形貌和粗糙度是影响骨细胞黏附 生长和骨整合的关键因素 粗糙的表面因利于成骨细胞的黏附从而促进骨生长 而表面上的沟槽和微织构则可调整成骨细胞的分化和增殖 Page 7 根据胶原蛋白含量不同制得的多孔羟基磷灰石 胶原蛋白支架材料的体外生物溶解降解性曲线可以得出 随着胶原蛋白含量的增加 多孔支架材料的生物降解性也相相应提高 这基本表明胶原蛋白的生物溶解降解性较羟基磷灰石高 因此 可能通过调整羟基多孔支架材料中胶原蛋白的相对含量 从而达到调节多孔支架材料的生物降解性的目的 Page 8 羟基磷灰石和胶原蛋白复合多孔支架材料与人骨的结构和组分非常相近 有很好的生物降解性和力学性能 胶原具有较好的粘结性 可用来粘接或固定HAP颗粒 克服其单独使用所引发的颗粒游走 移位 压迫神经等并发症 此材料能够代替自体或异体移植骨来使用 Page 9 Page 10 通过XRD分析表明复合材料的无机相主要为羟基磷灰石 结合XRD 扫描电镜分析结果表明复合材料中HAP的粒度为5nm 6Onm 20nm 100nm结晶度低 呈纳米级针状 胶原蛋白呈链状 2一3个胶原蛋白链相互交联成簇 HAP均匀地沉积在胶原蛋白簇上 Page 11 由图 a 可看出 胶原蛋白纤维呈絮团状均匀分布 构成了复合材料的基本框架 HAP呈颗粒状镶嵌在胶原蛋白絮团中 由图 b 中数据可知复合材料中HAP晶粒大小平均为7Onm左右 且均匀沉积在胶原蛋白基质上并交联 团聚成束形成多孔结构 从形貌上分析说明轻基磷灰石与胶原蛋白形成了有机 无机间的复合 Page 12 由图3 a 可以看出 实验合成的纳米轻基磷灰石是针状或棒状的低结晶度的晶体 平均尺寸为100nmx80nm 20nmx100nm 复合材料中羟基磷灰石晶体也是低结晶度的 晶体形状为针状或棒状 颗粒尺寸平均为5nmx60nm 20nmx100nm 与天然骨中的纳米羟基磷灰石晶粒尺寸 5一20nmx60nm 相近 单个胶原蛋白链的长度为300nm 宽度为20nm 由三束胶原蛋白纤维缠绕而成 图中长链为2一3个胶原蛋白链形成的胶原蛋白簇 羟基磷灰石颗粒镶嵌在胶原蛋白簇中 Page 13 a 实验室自制的HAP的IR光谱 b 纳米HAp cof蛋白复合材料的IR谱 c 胶原蛋自的lR光谱 通过对复合物的红外光谱分析可知 HAP与胶原蛋白纤维间发生了化学键合 羧基和羰基是HAP在胶原蛋白纤维上的主要成核位点 在成核过程中 发生了与天然骨类似的碳酸化过程 Page 14 由降解率曲线可以看出 在整个降解周期中 纳米HAP的溶解降解率均高于微米HAP 而纳米羟基磷灰石 胶原蛋白复合粉体的溶解降解率远高于纯的HAP 这说明胶原蛋白的引入加速了材料的降解 到18周时降解率最高仅为20 这表明 尽管HAP粉体粒径的减小和胶原蛋白的引入 加速了材料的溶解降解 但主要的生物降解可能还是要通过体内破骨细胞和吞噬细胞的吞噬消化来达到 Page 15 纳米羟