多孔梯度結(jié)構(gòu)羥基磷灰石仿骨材料制備和微觀形貌觀測(cè)

采用硝酸鈣-絲素蛋白溶液與磷酸鈉反應(yīng)仿生合成納米羥基磷灰石/絲素蛋白(n-ha/sf)復(fù)合材料,并以nahco3和nacl為致孔劑制備了多孔復(fù)合支架材料,采用tem、ir、sem和edx對(duì)其進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,復(fù)合材料中ha的粒徑在20~50nm之間,是一種co32-部分替代型弱結(jié)晶類骨針晶,在形貌和尺寸等方面類似于人體骨磷灰石晶體;ha和sf兩相間存在強(qiáng)烈的鍵合作用,復(fù)合支架材料呈高度多孔結(jié)構(gòu),孔壁上富含微孔,孔隙間貫通性高。edx分析結(jié)果表明,ha在有機(jī)基體中分布均勻,鈣磷元素比為1.66,當(dāng)復(fù)合材料和致孔劑的比例為1∶0.5時(shí),其抗壓強(qiáng)度可達(dá)20.23mpa。

再生絲素蛋白具有良好的生物相容性,羥基磷灰石同時(shí)還具有成骨誘導(dǎo)性。通過(guò)將再生絲素蛋白制備形成絲素蛋白多孔材料,并在37℃下將其浸漬于模擬體液中可以制備再生絲素蛋白/羥基磷灰石多孔復(fù)合材料。掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)在再生絲素蛋白多孔材料的孔隙中羥基磷灰石由針狀晶體聚集而成,紅外光譜和xrd等表征表明復(fù)合材料中羥基磷灰石以羰基取代的羥基磷灰石存在。制備的再生絲素蛋白/羥基磷灰石多孔材料有望作為骨組織修復(fù)材料使用。

本文以氫氧化鈣懸浮液和磷酸為主要實(shí)驗(yàn)原料,在室溫25℃,ph值為11的條件下,用共滴定的方法合成羥基磷灰石。把羥基磷灰石粉與一定量的膠原蛋白溶液混合,經(jīng)過(guò)物理發(fā)泡、冷凍、微波干燥的過(guò)程,得到羥基磷灰石/膠原蛋白多孔支架材料。運(yùn)用xrd、sem分析儀器和阿基米德原理及杠桿原理,對(duì)樣品進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明用物理發(fā)泡法制得的多孔支架材料的總氣孔率為79%～89%,抗壓強(qiáng)度為0.3～1.1mpa。

為了探討絲素蛋白/羥基磷灰石(sf/ha)復(fù)合多孔支架材料的制備及其用于骨缺損的修復(fù),采用超聲波凝膠干燥法制備了sf/ha復(fù)合材料;以脫膠繭絲為增強(qiáng)材料,水溶性淀粉為制孔劑,通過(guò)去離子水萃取法除去淀粉,制備了sf/ha多孔復(fù)合材料。對(duì)其孔隙率及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,并將其植入兔股骨缺損處觀察修復(fù)的情況。sf/ha多孔復(fù)合材料的孔隙率接近75%,孔徑尺寸分布約從幾微米到400μm,并且孔隙之間相互貫通,其抗壓強(qiáng)度可達(dá)10mpa以上,植入兔股骨缺損處未見(jiàn)引起骨組織明顯的炎癥反應(yīng)及骨壞死,術(shù)后12周發(fā)現(xiàn)基本修復(fù)骨缺損部位,而空白對(duì)照組沒(méi)有骨生成。sf/ha多孔復(fù)合材料可以滿足骨組織工程支架的基本要求,用于骨缺損的修復(fù)。

納米羥基磷灰石復(fù)合材料是一種新型骨組織替代或修復(fù)材料。介紹了羥基磷灰石的特性、合成方法，總結(jié)了改性研究及應(yīng)用，闡述了納米羥基磷灰石復(fù)合材料生物相容性。

通過(guò)體外模擬天然骨生物礦化和材料自組裝的形成機(jī)制,研究制備了類骨羥基磷灰石/膠原仿生復(fù)合材料并對(duì)材料進(jìn)行了表征。結(jié)果表明:納米羥基磷灰石均勻分布在膠原基質(zhì)上并擇優(yōu)取向排列,該復(fù)合材料的成分和微觀結(jié)構(gòu)與天然骨類似。

通過(guò)優(yōu)化的加工條件制備了羥基磷灰石/熱致液晶高分子(ha/vectraa950)復(fù)合材料仿生人工骨,研究了ha含量對(duì)復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響,分析了ha與vectraa950共混后的力學(xué)性能以及界面結(jié)合問(wèn)題。研究結(jié)果表明:當(dāng)ha與vectraa950的質(zhì)量比小于10∶100時(shí),復(fù)合材料呈現(xiàn)明顯的皮芯結(jié)構(gòu),皮層液晶微纖高度取向,ha主要分散在芯部,其模量和強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)天然骨的力學(xué)性能;隨著ha含量的增加,皮芯結(jié)構(gòu)逐步減弱并消失,而缺陷顯著增加。當(dāng)ha與vectraa950的質(zhì)量比增加到20∶100,復(fù)合材料的力學(xué)性能、尤其是韌性顯著降低,這可能是由于ha顆粒與液晶基體之間的結(jié)合較差導(dǎo)致的。為保證復(fù)合材料仿生人工骨的生物活性,ha的含量應(yīng)與天然骨接近。因此,需對(duì)ha和vectraa950的界面進(jìn)行改性以提高其結(jié)合性能。

使用水基羥基磷灰石(ha,ca_5(po_4)_3oh)漿料,用冰模板法制備定向?qū)訝疃嗫議a陶瓷,研究了漿料中ha陶瓷顆粒含量和冷端溫度的影響。結(jié)果表明:隨著漿料中ha陶瓷顆粒含量的提高,漿料的粘度值增大,層狀多孔結(jié)構(gòu)的層厚度相應(yīng)增加,孔道層間距減小甚至消失,多孔材料的抗壓強(qiáng)度從1.4mpa提高到5.7mpa,孔隙率從76.2%降低到44.2%。降低冷端溫度使片層狀結(jié)構(gòu)的層間距從大約20μm減小到3-5μm,陶瓷層厚度從23μm增大到15-20μm。

研究利用造孔劑法制備高度貫通的多孔羥基磷灰石(ha)支架,孔隙率約為78%,并利用聚己內(nèi)酯(pcl)分別復(fù)合納米ha(nha)或微納米生物玻璃(nbg)粉末對(duì)其進(jìn)行涂覆改性,粉末的添加量均為10%~40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。4種類型支架分別記為ha、pcl/ha、nha-pcl/ha和nbg-pcl/ha。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),nha-pcl/ha和nbg-pcl/ha復(fù)合支架最大抗壓強(qiáng)度分別為1.41~1.98mpa和1.35~1.78mpa。4類支架礦化實(shí)驗(yàn)顯示,浸泡21d后nbg-pcl/ha表面促進(jìn)生成較多的磷灰石礦化物;細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示細(xì)胞在4類支架上均生長(zhǎng)良好,說(shuō)明支架具有良好的生物相容性。支架在實(shí)驗(yàn)犬背部肌肉組織內(nèi)植入2個(gè)月的組織學(xué)檢測(cè)顯示,4種支架內(nèi)均有新骨形成,尤其是nha-pcl/ha和nbg-pcl/ha孔內(nèi)有更多的新生骨組織,說(shuō)明這兩種支架表面復(fù)合涂層中的生物活性納米顆粒對(duì)誘導(dǎo)新骨生成具有積極的促進(jìn)作用。

低溫下,通過(guò)將水熱合成的納米羥基磷灰石漿料與中性膠原溶膠共混和在中性膠原中原位形成羥基磷灰石兩種方法制備羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料,采用xrd、ftir、掃描電鏡、透射電鏡和力學(xué)性能測(cè)試等方法對(duì)兩種復(fù)合材料的特性進(jìn)行了表征。通過(guò)對(duì)兩種方法制備的復(fù)合材料的特性進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩種方法均制備得到了納米羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料,復(fù)合材料在晶相組成、化學(xué)組成、納米羥基磷灰石晶體尺寸、膠原纖維的結(jié)構(gòu)等方面都與天然骨相似。但原位合成納米羥基磷灰石晶體的結(jié)晶度比水熱合成的納米羥基磷灰石更接近于自然骨,原位合成的羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料的均勻性、界面結(jié)合緊密度、力學(xué)性能等方面均優(yōu)于共混法。原位合成法是改善納米羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料均勻性和力學(xué)性能的有效方法。

目的探討用溶膠-凝膠法制備出的納米含氟羥基磷灰石(nfha)材料用于純鈦表面涂覆的理論依據(jù)。方法本實(shí)驗(yàn)于2010年1-5月在中南大學(xué)粉末冶金研究院完成。采用溶膠-凝膠法制備nfha和羥基磷灰石(ha)材料,通過(guò)x線衍射(xrd)、透射電鏡(tem)表征其物相組成及顆粒大小,掃描電鏡(sem)觀察涂層在純鈦表面形貌。結(jié)果xrd檢測(cè)結(jié)果顯示,運(yùn)用溶膠-凝膠法可制備出nfha材料,氟離子進(jìn)入ha晶體中,以nfha固溶體形式存在。tem顯示,nfha晶體呈短棒狀,粒徑大部分在100nm以下,符合納米級(jí)別。sem顯示,熱處理后的nfha涂層,為多孔形貌,相互形成穿通結(jié)構(gòu),顆粒均勻分布,無(wú)明顯裂紋。結(jié)論(1)采用溶膠-凝膠法可制備出nfha涂層材料;(2)nfha較ha在鈦基表面涂層可形成更佳的孔隙結(jié)構(gòu)。

以ca(oh)2和h3po4為反應(yīng)物,通過(guò)溶膠-凝膠法制備了羥基磷灰石(ha)粉體;用機(jī)械混合法制備了tih2包覆ha的粉體;用熱壓法制備了純ha陶瓷材料及ha/ti復(fù)合材料.xrd相分析結(jié)果表明:通過(guò)溶膠-凝膠法制備的ha粉體,經(jīng)過(guò)900℃煅燒2h后,粉體的主晶相為ha,有少量的cao;ha/tih2包覆粉末經(jīng)1050℃熱壓后,復(fù)合材料中的主要相是ha和ti,同時(shí)出現(xiàn)了ca2p2o7和ca3(po4)2相.1050℃熱壓的ha/25%ti(體積分?jǐn)?shù))復(fù)合材料的斷裂韌性為2.4mpa.m-1/2,抗彎強(qiáng)度為54mpa,均高于純ha材料.顯微組織的觀察表明金屬鈦在材料中呈網(wǎng)狀分布,網(wǎng)狀分布的金屬相能夠通過(guò)裂紋橋接機(jī)制阻止ha基體中的裂紋的擴(kuò)展.

以蠶絲絲素蛋白(sf)作為羥基磷灰石(ha)沉積的模板,制備ha/sf復(fù)合粉末,用掃描電鏡(sem)、熱重分析(tga)、x射線衍射(xrd)和傅立葉變換紅外光譜(ft-ir)對(duì)復(fù)合粉末進(jìn)行分析和鑒定。結(jié)果表明,合成產(chǎn)物是ha/sf復(fù)合物,其平均粒徑約為275.7nm,其中絲素蛋白含量為17.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。復(fù)合粉末經(jīng)等靜壓成型后能夠制得彎曲和壓縮強(qiáng)度分別為19.87mpa和28.65mpa的ha/sf復(fù)合材料,以nacl為致孔劑能夠制得平均孔徑約為61μm、孔隙率為40%的多孔ha/sf復(fù)合材料。

以含ca2+和po34-的溶液為無(wú)機(jī)相,殼聚糖(chitosan,cs)溶液為高分子相,采用原位水化法制備羥基磷灰石(hydroxyapatite,hap)/cs復(fù)合多孔支架材料。xrd和ir的表征和分析表明水化24h后,復(fù)合支架中的鈣磷鹽從磷酸氫鈣(dicalciumphosphatedehydrate,dcpd)轉(zhuǎn)化為hap。sem和eds顯示15μm左右的棒狀hap顆粒均勻地分散在多孔支架的孔壁上,壓縮強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)顯著提高復(fù)合支架的力學(xué)性能。

羥基磷灰石(ha)是骨組織中無(wú)機(jī)物的主要成分。利用絲膠蛋白(ss)良好的生物相容性、生物降解性、細(xì)胞相容性,以及含有的羧基和羥基能與ca2+緊密結(jié)合的特點(diǎn),將氫氧化鈣和磷酸以濕法合成的羥基磷灰石按一定的比例加入到濃縮后的絲膠蛋白溶液中,經(jīng)冷凍干燥制備成絲膠蛋白/羥基磷灰石復(fù)合支架材料,期望用于骨替代和骨缺損修復(fù)。對(duì)絲膠蛋白/羥基磷灰石復(fù)合支架材料進(jìn)行掃描電鏡(sem)、x射線衍射(xrd)、紅外吸收光譜(ftir)、熱力學(xué)性能以及力學(xué)性能等檢測(cè),并探討不同原料配比對(duì)材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明,絲膠蛋白/羥基磷灰石復(fù)合支架材料的孔隙分散均勻,孔隙率33.0%～62.5%;支架材料中的ha呈弱結(jié)晶態(tài),與人體骨組織中ha的晶體態(tài)相似,絲膠蛋白分子呈β折疊結(jié)構(gòu);隨著復(fù)合支架材料中ha的比例不斷增加,材料的熱分解溫度提高,熱學(xué)性能改善,當(dāng)ha的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí),彈性模量增大到15.64mpa,呈現(xiàn)較好的結(jié)構(gòu)性能。

為了改善羥基磷灰石(hap)的脆性和新骨誘導(dǎo)性,采用共沉淀法合成hap,鹽溶法制備絲素蛋白(sf),在膠體狀態(tài)下將hap和sf復(fù)合得到了sf/hap復(fù)合材料。采用掃描電鏡(sem)、x射線衍射(xrd),傅立葉紅外光譜(fir)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行了分析,在模擬體液中檢驗(yàn)了復(fù)合材料的生物活性,并對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明:hap與sf在納米尺度進(jìn)行了復(fù)合,復(fù)合材料中sf主要以β-折疊構(gòu)象存在,酰胺ⅴ紅外特征峰消失,β-折疊構(gòu)象的其他峰發(fā)生了移動(dòng),表明hap與sf間存在化學(xué)結(jié)合;模擬體液中浸泡18天后,復(fù)合材料表面形成了片層狀的hap;與純的hap晶體比較,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,具有較好生物活性和骨誘導(dǎo)性,其抗壓強(qiáng)度可達(dá)63mpa,可望成為理想的骨組織替換和工程支架材料。

以熔融法制備可加工生物玻璃陶瓷的基礎(chǔ)配方及分相機(jī)理為基礎(chǔ),采用溶膠-凝膠法分別制備了金云母和羥基磷灰石粉體,并由復(fù)合工藝制備了金云母/羥基磷灰復(fù)合材料。通過(guò)dta、xrd、sem等對(duì)粉體及材料進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:采用溶膠-凝膠法可制備出以鈉金云母為主晶相的粉體,將該粉體與溶膠-凝膠法制備的羥基磷灰石粉體進(jìn)行混合可制備出可加工性生物活性材料。

為研究燒結(jié)溫度對(duì)羥基磷灰石靶的影響規(guī)律,把純度為99%的羥基磷灰石粉末壓制成圓盤形的靶后,在氬氣中分別在600℃、700℃和800℃高溫下進(jìn)行燒結(jié)。用x射線衍射儀和x射線光電子能譜儀對(duì)未燒結(jié)和在不同溫度下燒結(jié)的羥基磷灰石靶進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明;燒結(jié)溫度對(duì)羥基磷灰石靶的結(jié)晶度和組成元素沒(méi)有顯著影響。但是隨著燒結(jié)溫度的升高,羥基磷灰石靶的平均粒徑和鈣磷比值都增大.800℃高溫?zé)Y(jié)的羥基磷灰石靶具有更好的生物相容性、生物活性和穩(wěn)定性。

采用共滴定法制備了羥基磷灰石/膠原復(fù)合粉體,通過(guò)凝膠-冷凍干燥法制備了羥基磷灰石/膠原-魔芋葡甘聚糖多孔支架.分析了堿加入量對(duì)支架顯氣孔率、孔徑及強(qiáng)度的影響.xrd與tem結(jié)果顯示復(fù)合粉體中無(wú)機(jī)相為納米羥基磷灰石.所制備的支架顯氣孔率在80%以上,抗壓強(qiáng)度在0.45~1.31mpa,sem結(jié)果顯示孔徑分布在100~300μm.細(xì)胞相容性實(shí)驗(yàn)證明表明細(xì)胞在支架上生長(zhǎng)良好.

尋找理想的骨修復(fù)材料一直是骨科材料領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。自然骨是由納米羥基磷灰石和膠原構(gòu)成的納米復(fù)合材料。源于仿天然硬組織構(gòu)想的納米磷灰石-有機(jī)高分子復(fù)合材料是把高韌性的高分子基質(zhì)與高剛性的納米無(wú)機(jī)磷灰石晶體巧妙結(jié)合,使其最大程度地實(shí)現(xiàn)兩種成分的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和協(xié)同優(yōu)化,賦予仿生納米復(fù)合材料高強(qiáng)韌的力學(xué)性能。與組成同樣重要的是結(jié)構(gòu)因素,這種材料包括不同尺寸的架構(gòu)組織和可控取向。納米羥基磷灰石/高分子復(fù)合材料已成為骨組織修復(fù)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。本文綜述了近些年用于人體骨組織修復(fù)材料的納米羥基磷灰石/天然(或非天然)高分子材料的制備技術(shù)、性能等方面研究進(jìn)展及現(xiàn)狀,并對(duì)其發(fā)展提出了展望。

了解絲素蛋白(silkfibroin,sf)表面修飾的羥基磷灰石(hydroxyapatite,ha)修復(fù)骨缺損過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物血液流變學(xué)和骨缺損修復(fù)區(qū)血流量的變化。選擇20只新西蘭白兔,制作15mm長(zhǎng)的橈骨節(jié)段性骨缺損模型,根據(jù)植入不同移植材料分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組,實(shí)驗(yàn)組于動(dòng)物左側(cè)橈骨缺損區(qū)植入mscs復(fù)合sf表面修飾的ha培養(yǎng)制備的組織工程骨,對(duì)照組植入mscs復(fù)合ha培養(yǎng)制備的組織工程骨,觀察各組動(dòng)物術(shù)后7、14d血液流變學(xué)和術(shù)后14d骨缺損修復(fù)區(qū)血流量的變化。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組比較,血液流變學(xué)指標(biāo)和骨缺損修復(fù)區(qū)血流量差異顯著,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物全身血液粘度降低,骨缺損修復(fù)區(qū)的局部血流量增加。sf表面修飾對(duì)以ha為支架材料組織工程骨的修復(fù)作用有明顯優(yōu)化作用。

隨著骨組織工程學(xué)研究的逐步深入,人工骨移植材料的研究得到全新的發(fā)展。骨組織工程應(yīng)用于骨缺損修復(fù)的價(jià)值己被人們接受,其中支架材料研究是骨組織工程的核心內(nèi)容和中心環(huán)節(jié)。羥基磷灰石(ha)是公認(rèn)的性能良好的人工骨材料,大量的生物相容性實(shí)驗(yàn)證明羥基磷灰石無(wú)毒、無(wú)刺激、不破壞生物組織,并能與骨形成牢固的化學(xué)結(jié)合具有很好的生物