原位增強(qiáng)羥基磷灰石殼聚糖復(fù)合棒材

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。

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。

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.

采用沉淀法合成羥基磷灰石粉體,將r2oal2o3b2o3sio3體系玻璃粉按一定的比例與hap粉混合,采用等靜壓成型和干壓法成型2種成型方法對(duì)羥基磷灰石玻璃復(fù)合粉體成型,分別在1150℃、1200℃、1250℃下微波燒結(jié)。利用xrd、ir和sem等手段對(duì)燒結(jié)過(guò)程中的相變和陶瓷顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,結(jié)果表明隨著燒結(jié)溫度的升高,羥基磷灰石玻璃復(fù)合陶瓷的結(jié)構(gòu)逐漸致密;燒結(jié)溫度低于1200℃時(shí)主晶相沒(méi)有發(fā)生明顯變化,當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1250℃時(shí)等靜壓成型的樣品中hap發(fā)生了明顯的分解;等靜壓成型的羥基磷灰石—玻璃復(fù)合陶瓷的致密度優(yōu)于普通干壓法成型的陶瓷。

中國(guó)組織工程研究第20卷第16期2016–04–15出版 chinesejournaloftissueengineeringresearchapril15,2016vol.20,no.16 p.o.box10002,shenyang110180www.crter.org2412 ·研究原著· www.crter.org 莊穎，男，1979年生， 貴州省凱里人，侗族， 2011年解放軍第三軍醫(yī) 大學(xué)畢業(yè)，博士，主治醫(yī) 師，主要從事脊柱相關(guān)疾 病的基礎(chǔ)及臨床研究。 通訊作者：徐永清，教授， 博士生導(dǎo)師，解放軍成都 軍區(qū)昆明總醫(yī)院全軍骨 科中心/干細(xì)胞與組織器 官工程研究中心，云南省 昆明市650032 中圖分類(lèi)號(hào):r318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a 文章編號(hào):2095-4344 (2016)16-02412-06 稿件接受

骨組織工程是修復(fù)骨缺損最有前途的方法,尋找理想的支架材料是目前骨組織工程研究的熱點(diǎn)之一。近年來(lái)采用仿生學(xué)原理制備的增強(qiáng)型納米羥基磷灰石聚乳酸復(fù)合支架材料因具有良好的生物相容性和生物降解性而廣泛研究。該文就納米羥基磷灰石-聚乳酸復(fù)合支架材料的制備、力學(xué)性能及影響因素、與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞復(fù)合構(gòu)建組織工程化骨、與骨形態(tài)發(fā)生蛋白復(fù)合構(gòu)建活性人工骨的成骨性能研究現(xiàn)狀作一簡(jiǎn)要綜述。

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(mǎn)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(guò)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(guò)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(wú)致熱性、無(wú)致敏性、無(wú)刺激性,無(wú)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(wú)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(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。

采用化學(xué)沉淀法合成了絲膠蛋白(ss)/羥基磷灰石(hap)復(fù)合材料,并研究了礦化時(shí)間對(duì)復(fù)合材料的影響.x射線衍射(xrd)、傅里葉變換紅外光譜(ftir)、透射電鏡(tem/hrtem)和掃描電鏡(sem)表征結(jié)果表明:在較短的礦化時(shí)間內(nèi),合成的ss/hap為直徑約20nm的復(fù)合顆粒;隨著礦化時(shí)間的延長(zhǎng),這些復(fù)合顆粒能夠沿軸方向組裝并融合成類(lèi)牙釉結(jié)構(gòu)的較大晶體.文章討論了其可能的組裝機(jī)制.

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(lèi)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(lèi)似。

探討n(yōu)-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(guò)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(yōu)-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(guò)一定范圍后,則會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。

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。

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。

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。

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(guò)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(méi)有影響復(fù)合材料的生物相容性。

近年來(lái),隨著組織工程的深入研究,骨組織工程受到學(xué)者越來(lái)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(lèi)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

分別用自燃燒法添加生物玻璃和不加生物玻璃合成的ha原料粉末制備試樣,燒結(jié)后通過(guò)試樣收縮率計(jì)算和微觀結(jié)構(gòu)觀察,研究了多孔ha材料的燒結(jié)特性。結(jié)果表明,含磷酸鹽生物玻璃添加劑的試樣燒結(jié)溫度降低了200℃,在1050℃即可燒結(jié),獲得仿骨結(jié)構(gòu)的多孔ha生物材料

通過(guò)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(méi)有毒性。

研究羥基磷灰石/高密度聚乙烯(ha/hdpe)納米復(fù)合人工聽(tīng)小骨的生物相容性。以目前臨床應(yīng)用的鈦合金植入材料為對(duì)照,將ha/hdpe納米復(fù)合材料浸提液與l929細(xì)胞混合培養(yǎng)后,用流式細(xì)胞儀測(cè)定其s期的細(xì)胞百分比;將兩種材料分別植入動(dòng)物體內(nèi),通過(guò)組織病理學(xué)方法評(píng)價(jià)其生物相容性。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析兩組數(shù)據(jù)無(wú)明顯差異,結(jié)果表明,ha/hdpe納米復(fù)合人工聽(tīng)小骨具有良好的生物相容性及臨床應(yīng)用前景。