仿生增強(qiáng)型納米羥基磷灰石-聚乳酸復(fù)合支架現(xiàn)狀

納米羥基磷灰石（nhap）是一種性能優(yōu)良的骨修復(fù)材料,但由于其脆性大、強(qiáng)度低而限制了它在承力部位的應(yīng)用。nhap與其他材料復(fù)合可以提高材料生物相容性和力學(xué)性能,具有更大的臨床應(yīng)用前景?，F(xiàn)就各種nhap復(fù)合支架的種類,以及nhap復(fù)合材料與骨形態(tài)發(fā)生蛋白、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞復(fù)合來構(gòu)建組織工程化骨的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。

近年來,隨著組織工程的深入研究,骨組織工程受到學(xué)者越來越多的重視。目前,骨組織工程的研究重點(diǎn)集中在支架材料、種子細(xì)胞、骨構(gòu)建的相關(guān)生長(zhǎng)因子等三個(gè)方面。納米羥基磷灰石(nanohydroxyaptite,nhap)屬于陶瓷類材料,有利于人體骨組織的修復(fù)、整合及改善植入組織的力學(xué)性能,因其優(yōu)良的生物性能而備受關(guān)注,nhap已作為骨

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)證明羥基磷灰石無毒、無刺激、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

探討n-ha/ldi-g/nvcm復(fù)合體的制備方法以及其物理特性。對(duì)載有0%、1%、2%、5%和10%nvcm的復(fù)合體材料分別測(cè)定其抗壓強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度,再通過x射線衍射和掃描電鏡分析其固化產(chǎn)物和表面結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明不同載藥組抗壓強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度會(huì)有所不同。nvcm的載入不影響n-ha/ldi-g的固化,不會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生新的產(chǎn)物;nvcm的含量在復(fù)合體中一定的比例范圍內(nèi),并不會(huì)對(duì)復(fù)合體的抗壓強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度造成影響,而超過一定范圍后,則會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。

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。

目的:初步評(píng)價(jià)牙體修復(fù)性納米羥基磷灰石復(fù)合材料的生物相容性,為其臨床應(yīng)用的安全性提供實(shí)驗(yàn)室依據(jù)。方法:采用iso評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的部分體內(nèi)試驗(yàn)方法,通過不同途徑進(jìn)行動(dòng)物急性毒性實(shí)驗(yàn)、熱原實(shí)驗(yàn)、過敏實(shí)驗(yàn)、口腔黏膜刺激實(shí)驗(yàn)、皮膚刺激實(shí)驗(yàn),根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)該材料的生物相容性。結(jié)果:該新型材料對(duì)生物機(jī)體無致熱性、無致敏性、無刺激性,無明顯急性毒性。結(jié)論:牙體修復(fù)性納米羥基磷灰石復(fù)合材料對(duì)機(jī)體組織無明顯毒害作用,具有良好的生物相容性。

目的比較復(fù)合不同劑量血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vegf)的納米羥基磷灰石/膠原蛋白復(fù)合骨(nhac)修復(fù)骨缺損的效果。方法將納米羥基磷灰石粉末和膠原蛋白粉末按8∶2的比例混合制備nhac人工骨,再將混合粉末與含10ng、100ng、300ngvegf的蒸餾水按1∶1.8的質(zhì)量比調(diào)和制備nhac/vegf人工骨。建立大鼠雙側(cè)橈骨0.5cm缺損動(dòng)物模型30只,按隨機(jī)原則分為5組。以nhac/10ngvegf、nhac/100ngvegf、nhac/300ngvegf人工骨植入骨缺損處進(jìn)行修復(fù)作為實(shí)驗(yàn)組,以nhac人工骨植入組及空白組作為對(duì)照組。術(shù)后2、4、8周各組行組織學(xué)及免疫組織化學(xué)檢查,觀察材料早期血管化及成骨情況。結(jié)果各時(shí)間點(diǎn)組織學(xué)評(píng)分以及血管計(jì)數(shù)均為nhac/300ngvegf人工骨組最高,于其他各組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。各實(shí)驗(yàn)組血管數(shù)量在4周時(shí)達(dá)到高峰,而nhac組血管數(shù)量在8周時(shí)最多。結(jié)論血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子能明顯促進(jìn)nhac早期血管化及新骨形成,比單純應(yīng)用nhac能更好的修復(fù)骨缺損,并且隨著vegf劑量的增加,新生血管數(shù)量和新骨形成量均相應(yīng)增加。

低溫下,通過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。

由納米羥基磷灰石(ha)與絲素蛋白(sf)復(fù)合而成的新型生物復(fù)合材料,具有優(yōu)良的生物相容性,已被研究用作骨移植及填充材料,但其由絲素蛋白分子內(nèi)交聯(lián)導(dǎo)致的較差的力學(xué)性能,限制了該復(fù)合材料的應(yīng)用。本研究中,采用一種名為聚乙二醇二縮水甘油醚(pgde)的交聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料中的絲素蛋白進(jìn)行改性。該改性的復(fù)合材料經(jīng)過一系列的檢測(cè),結(jié)果顯示交聯(lián)劑pgde可以提高絲素蛋白的結(jié)晶性,復(fù)合材料ha/sf的抗壓強(qiáng)度提高了100%,且該交聯(lián)劑并沒有影響復(fù)合材料的生物相容性。

以含ca2+和po34-的溶液為無機(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。

以飽和ca(oh)2上清液、磷酸和膠原蛋白為原料,在36～39℃、ph=8～9條件下,用共滴定法制備納米羥基磷灰石/膠原蛋白復(fù)合支架材料。用xrd、sem、tem、ir對(duì)材料的晶相結(jié)構(gòu)、結(jié)晶程度、化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)、微觀形貌、晶粒大小進(jìn)行分析。結(jié)果表明:復(fù)合材料由低結(jié)晶度的納米羥基磷灰石(5nm×60nm～20nm×100nm)和膠原蛋白纖維組成,二者之間形成了緊密鍵合。

應(yīng)用共混法制備了納米羥基磷灰石/絲素蛋白復(fù)合支架材料,通過體外降解和細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合支架材料的降解特性和生物相容性.體外降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,復(fù)合支架材料具有穩(wěn)定的降解能力;在降解過程中,羥基磷灰石由于與降解液發(fā)生鈣、磷等離子的交換,使其結(jié)晶得到了進(jìn)一步生長(zhǎng)和完善.利用細(xì)胞計(jì)數(shù)法、四甲基偶氮唑鹽(mtt)比色法和堿性磷酸酶(alp)活性測(cè)定等分析了復(fù)合支架材料的生物相容性,結(jié)果表明,mg63細(xì)胞在復(fù)合支架材料上具有良好的粘附、增殖能力,并可引起早期的骨分化.因此,納米羥基磷灰石/絲素蛋白復(fù)合支架作為骨組織工程的支架材料具有良好的應(yīng)用前景。

目的:探討納米羥基磷灰石復(fù)合重組人骨形成蛋白-2人工骨(nano-ha/rhbmp-2)的骨缺損修復(fù)能力,為臨床骨缺損修復(fù)提供依據(jù)。方法:采用新西蘭大白兔75只,單側(cè)橈骨制備骨缺損動(dòng)物模型,以nano-ha/rhbmp-2復(fù)合人工骨植入骨缺損處進(jìn)行修復(fù)作為實(shí)驗(yàn)組(a組),以nano-ha人工骨(b組)及空白組(c組)作為對(duì)照組;術(shù)后4周、8周、12周分別行大體標(biāo)本觀察、x線、掃描電鏡(sem)、放射性核素骨掃描(ect)及生物力學(xué)測(cè)試,綜合評(píng)價(jià)nano-ha/rhbmp-2復(fù)合人工骨對(duì)骨缺損的修復(fù)能力及對(duì)機(jī)體的影響。結(jié)果:nano-ha/rhbmp-2復(fù)合人工骨、nano-ha人工骨均可促進(jìn)新骨形成,前者新骨形成量大,骨缺損修復(fù)能力明顯優(yōu)于后者,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)。結(jié)論:nano-ha/rhbmp-2復(fù)合人工骨具有良好的骨缺損修復(fù)能力,可望成為一種理想的骨缺損修復(fù)材料。

利用低溫水溶液均相沉積法制備了磷酸鈣鹽微纖維;應(yīng)用原位沉析法制備了殼聚糖(cs)三維棒材及羥基磷灰石(ha*)/cs復(fù)合棒材。xrd證實(shí)應(yīng)用原位沉析法制備ha*/cs復(fù)合棒材過程中,磷酸鈣鹽轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石結(jié)構(gòu),尺寸為10~60μm,并用sem對(duì)晶體形貌進(jìn)行了表征,分析了轉(zhuǎn)化機(jī)制。ha*/cs復(fù)合材料的微觀形貌表明,ha*晶體在cs凝膠棒原位沉析的過程中析出而與cs基體形成鑲嵌、相互咬合結(jié)構(gòu),且在基體中分散均勻,有效地提高了ha*與cs基體的界面連接作用,使力學(xué)性能顯著提高。所制備的ha*/cs棒材隨ha*含量的增大(在其飽和溶解度3.3wt%范圍內(nèi)),復(fù)合材料的彎曲性能逐漸提高,當(dāng)羥基磷灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.3%時(shí),復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到159.6mpa,彎曲模量達(dá)到5.1gpa,比cs基體分別提高85.6%和54.5%。ha*/cs復(fù)合棒材的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量遠(yuǎn)高于松質(zhì)骨,彎曲強(qiáng)度也比密質(zhì)骨高。

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。

羥基磷灰石(ha)是骨組織中無機(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。

用差示掃描量熱儀(dsc)研究了不同比例的納米羥基磷灰石(nanohydroxyapatite,nha)/聚酰胺66(polyamide66,pa66)仿生復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶行為。結(jié)果表明:(1)納米羥基磷灰石的加入,起到了異相成核劑的作用,提高了pa66的結(jié)晶速率,且結(jié)晶速率隨納米羥基磷灰石的含量的增加而增加,純pa66的結(jié)晶度則隨著納米羥基磷灰石的增加而降低。(2)pa66和復(fù)合材料的結(jié)晶峰都隨降溫速率的增加從高溫向低溫方向移動(dòng),且結(jié)晶峰變寬。(3)以mo法進(jìn)行非等溫結(jié)晶數(shù)據(jù)處理,得到的f(t)隨結(jié)晶度的增加而增加,a值卻幾乎不隨結(jié)晶度變化,表明降溫速率越快,單位結(jié)晶時(shí)間達(dá)到的結(jié)晶度越高,但各降溫速率下的結(jié)晶方式基本相同。

在目前仿生制備骨缺損修復(fù)材料研究的基礎(chǔ)上,利用冷凍干燥技術(shù)結(jié)合原位復(fù)合方法在成分仿生的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿生制備骨缺損修復(fù)材料。充分利用殼聚糖的溶解、沉析和羥基磷灰石形成特性,在室溫下實(shí)現(xiàn)了納米羥基磷灰石在多孔支架中的納米分散。研究結(jié)果表明,利用冷凍干燥原位構(gòu)筑的多孔支架材料擁有很好的相互貫穿多孔連通結(jié)構(gòu),孔徑分布為100～136μm,孔隙率達(dá)到96.1%。此外,原位形成的納米羥基磷灰石(95nm)對(duì)于多孔支架還起到了納米增強(qiáng)作用,支架表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能,可以根據(jù)不同缺損形狀實(shí)現(xiàn)隨意賦行。體外生物活性測(cè)試表明,該支架材料具有很好的生物活性,是一種優(yōu)越的潛在骨缺損修復(fù)支架材料。

對(duì)比研究了納米羥基磷灰石(n-ha)經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑(kh-570)表面改性前后的性能變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,n-ha經(jīng)改性后,疏水性得到提高,其表面與kh-570發(fā)生了偶聯(lián)作用(ft-ir);將改性的n-ha與天然膠乳復(fù)合制備復(fù)合乳膠膜,力學(xué)性能測(cè)定結(jié)果表明,復(fù)合乳膠膜的力學(xué)強(qiáng)度與未經(jīng)處理的相比有一定提高;另外n-ha還能夠有效的抑制復(fù)合乳膠膜中水溶性蛋白的析出,利用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定復(fù)合材料中的水溶性蛋白,隨著n-ha的添加量的增加,復(fù)合乳膠膜中的水溶性蛋白被屏蔽,溶出量逐漸降低。

通過靜電紡絲法制備出納米羥基磷灰石/絲素蛋白/聚己內(nèi)酯復(fù)合超細(xì)纖維,利用掃描電鏡、紅外光譜儀、x射線衍射儀對(duì)納米羥基磷灰石/絲素蛋白/聚己內(nèi)酯復(fù)合超細(xì)纖維形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,并進(jìn)行了拉伸測(cè)試。結(jié)果表明,隨著超細(xì)纖維中羥基磷灰石含量的增加,纖維的直徑逐漸降低,纖維中聚己內(nèi)酯的結(jié)晶逐漸變差。相比于絲素蛋白/聚己內(nèi)酯超細(xì)纖維,含有質(zhì)量比為30%羥基磷灰石的復(fù)合超細(xì)纖維仍具有較好的力學(xué)性能。體外小鼠成纖維細(xì)胞(l929)培養(yǎng)表明,納米羥基磷灰石/絲素蛋白/聚己內(nèi)酯復(fù)合超細(xì)纖維對(duì)細(xì)胞沒有毒性。

通過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。