羥基磷灰石復(fù)合材料的制備及性能表征

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。

采用溶膠-凝膠法制備硅灰石-磷灰石(aw)納米前驅(qū)體粉,并結(jié)合有機(jī)泡沫浸漬工藝、物理包被殼聚糖(cs)法制備aw/cs復(fù)合支架材料。以掃描電鏡、抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)支架材料的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行表征,把兔骨髓基質(zhì)干細(xì)胞(bmscs)與支架材料體外復(fù)合培養(yǎng)評(píng)價(jià)材料的細(xì)胞相容性,將細(xì)胞與支架材料一起構(gòu)建體外組織工程骨植入兔的骨缺損處,用組織學(xué)的方法評(píng)價(jià)支架材料的生物相容性和成骨能力。結(jié)果表明:復(fù)合支架材料具有大孔/微孔結(jié)構(gòu)、孔隙分布均勻和相互貫通的優(yōu)點(diǎn),大孔孔徑在100～500μm,孔隙率為80%～90%,復(fù)合支架材料適宜骨髓基質(zhì)干細(xì)胞(msc)黏附、增殖和分化,無細(xì)胞毒性。細(xì)胞復(fù)合材料的動(dòng)物體內(nèi)研究表明:mscs與aw/cs復(fù)合支架材料體外構(gòu)建的新型組織工程骨具有較高的成骨能力和良好的骨缺損修復(fù)能力。

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。

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。

以ca(oh)2和h3po4為反應(yīng)物,通過溶膠-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:通過溶膠-凝膠法制備的ha粉體,經(jīng)過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裂紋橋接機(jī)制阻止ha基體中的裂紋的擴(kuò)展.

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。

采用硝酸鈣-絲素蛋白溶液與磷酸鈉原位合成納米羥基磷灰石(ha),在反應(yīng)過程中絲蛋白(sf)誘導(dǎo)ha晶體生長(zhǎng),仿生合成ha/sf復(fù)合材料,用tem、ir、tga、xrd和sem進(jìn)行表征。結(jié)果表明,ha為co23-部分替代型,粒徑為10nm~40nm之間的弱結(jié)晶類骨晶體,在形貌和結(jié)晶度等方面與人體骨磷灰石相似。ha/sf復(fù)合材料中絲蛋白的含量約為25%,ha和sf兩相存在強(qiáng)烈化學(xué)鍵合作用。sem觀察結(jié)果表明,ha微粒被sf完全包裹,兩者之間沒有明顯相分離。

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。

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。

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。

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。

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。

采用陽(yáng)極氧化-電化學(xué)沉積方法在鈦基材表面制備了牙種植材料tio2/ha復(fù)合涂層,并與在相同條件下制備的單一羥基磷灰石涂層進(jìn)行了比較。采用sem、eds、ftir等技術(shù)對(duì)所得的涂層形貌和成分進(jìn)行測(cè)試表征。結(jié)果表明,純鈦基材在5wt%hf電解液中,經(jīng)過20v電壓陽(yáng)極氧化60min,形成了較為理想的tio2納米管陣列結(jié)構(gòu),再經(jīng)過電流密度為0.85ma/cm2的電化學(xué)沉積后,獲得了孔隙率較好的針狀羥基磷灰石涂層。

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。

為了改善羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料的性能,采用戊二醛對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行交聯(lián)處理,分析了戊二醛交聯(lián)對(duì)羥基磷灰石復(fù)合材料性能的影響。研究表明,用體積分?jǐn)?shù)為0.25%的戊二醛溶液浸泡可以較好改善羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料的力學(xué)性能和生物降解性能。

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。

羥基磷灰石(hap)作為一種新型非貴金屬型催化劑,具有強(qiáng)的吸附性和離子替換性,通過有機(jī)改性,金屬、金屬氧化物摻雜和負(fù)載其它復(fù)合催化劑,可以賦予其優(yōu)異的催化活性和吸附性能而用于降解有機(jī)污染物和有害氣體。本文綜述了近年來改性羥基磷灰石在催化領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,重點(diǎn)闡述了通過金屬離子置換、hap包覆、hap負(fù)載其它催化劑、有機(jī)改性hap所構(gòu)建的復(fù)合催化劑的性能及其在有毒氣體清除和污染物凈化處理中的應(yīng)用,總結(jié)了研究中存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)。

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)。

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。

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。

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

天然骨除了含有羥基磷灰石無機(jī)成分外,還有膠原、糖蛋白等少量的有機(jī)成分,這種混雜結(jié)構(gòu)使骨具有獨(dú)特性能。因此模擬天然骨的形成機(jī)制,采用仿生的方法制備羥基磷灰石/膠原類骨材料以再生骨的生物學(xué)和力學(xué)性能勢(shì)在必行。本文就制備羥基磷灰石/膠原類骨仿生復(fù)合材料的方法及體外模擬天然骨生物礦化和材料自組裝的形成機(jī)制進(jìn)行了綜述。