制備羥基磷灰石/絲素蛋白復(fù)合材料的條件

了解絲素蛋白(silkfibroin,sf)表面修飾的羥基磷灰石(hydroxyapatite,ha)修復(fù)骨缺損過程中,實驗動物血液流變學(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驗組和對照組,實驗組于動物左側(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。實驗組與對照組比較,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,實驗動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。

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。對其孔隙率及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試,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)。

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,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。

提出了一種制備ha/sf復(fù)合粉末的新方法.以磷酸氫二鈉、無水氯化鈣和絲素蛋白為原料制備羥基磷灰石/絲素蛋白(ha/sf)復(fù)合粉末,通過x-射線衍射(xrd)、掃描電子顯微鏡(sem)和紅外吸收光譜(fir)等檢測手段,探討了反應(yīng)酸度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間,絲素蛋白加入量和原料加入順序?qū)χ苽鋒a/sf復(fù)合粉末的影響,確定了最佳的制備條件;該方法可降低溶解絲素蛋白的溫度,達(dá)到節(jié)約能源的目的.

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驗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

用氫氧化鈣與磷酸濕法合成羥基磷灰石,加入絲素蛋白以誘導(dǎo)羥基磷灰石晶體的定向生長,以仿生的方法得到復(fù)合顆粒。通過掃描電子顯微鏡(sem)、電子探針分析(eds)、x-射線衍射(xrd)、紅外吸收光譜(ft-ir)、粒徑分析儀等檢測手段,探討了制備工藝條件對羥基磷灰石絲素復(fù)合粉體制備的影響及其合成機(jī)理。結(jié)果表明,制備的復(fù)合顆粒為納米級粉體,長度在100～400nm,寬度在30～80nm之間。絲素蛋白可以誘導(dǎo)羥基磷灰石形成針狀晶體,晶體的長軸方向沿著c軸方向,這是因為絲素蛋白與羥基磷灰石之間的相互作用造成的。并且隨著絲素蛋白加入量的增加,長徑比增加,隨著溫度的增加,結(jié)晶度增加,其組成和結(jié)構(gòu)與人骨組織中納米微晶非常相似。由于羥基磷灰石絲素蛋白復(fù)合納米粒子與人骨中磷灰石微晶的相似性以及基體材料的可降解性,這些材料被賦予優(yōu)異的骨誘導(dǎo)性能和可降解性能,在骨修復(fù)或骨固定材料方面有著潛在的用途,可以為適合于臨床應(yīng)用的ha產(chǎn)品提供優(yōu)質(zhì)的粉體原料。

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,其抗壓強(qiáng)度可達(dá)20.23mpa。

目的評價絲素蛋白-羥基磷灰石類骨質(zhì)復(fù)合生物材料的生物相容性。方法體外研究將成骨樣細(xì)胞株mg-63細(xì)胞與不同材料進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng),利用倒置顯微鏡、四甲基偶氮唑鹽比色(mtt)法進(jìn)行生物相容性評價;體內(nèi)研究將不同材料植入新西蘭大白兔股骨髓腔,分別在4周、8周取出標(biāo)本,he、新三色染色后觀察新骨生成情況。結(jié)果在體外、體內(nèi)實驗中絲素蛋白-羥基磷灰石類骨質(zhì)復(fù)合生物材料組均顯示出良好的生物相容性。結(jié)論絲素蛋白-羥基磷灰石復(fù)合生物材料具有良好的生物相容性,為新型骨替代材料的制備及應(yīng)用提供新的思路。

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,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。

系統(tǒng)分析了羥基磷灰石(ha)的制備方法和絲素蛋白纖維(sf)的溶解方法,提出一種制備納米絲素蛋白/羥基磷灰石生物復(fù)合材料(sf/ha)的新型反應(yīng)復(fù)合方法——"一步法"。并對由"一步法"制得的sf/ha分別進(jìn)行了鈣磷比測定、紅外光譜測試、透射電鏡觀察和x射線衍射測試。結(jié)果表明:sf/ha中的鈣磷比是1.6692,與標(biāo)準(zhǔn)ha中的鈣磷比1.67一致;sf/ha中同時含有sf和ha中各自的官能團(tuán);sf/ha的晶粒橫向尺度小于100nm,sf/ha呈針狀或柱狀晶粒,sf和ha能夠形成復(fù)合;sf/ha的晶型屬于六方晶系,當(dāng)sf在sf/ha中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,晶胞參數(shù)a=b=9.0319,c=7.0148,沿c軸方向平均晶粒尺寸是230.7645。"一步法"制備sf/ha具有合理性和可行性。

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,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,并探討不同原料配比對材料結(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,彈性模量增大到15.64mpa,呈現(xiàn)較好的結(jié)構(gòu)性能。

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,并研究了礦化時間對復(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:在較短的礦化時間內(nèi),合成的ss/hap為直徑約20nm的復(fù)合顆粒;隨著礦化時間的延長,這些復(fù)合顆粒能夠沿軸方向組裝并融合成類牙釉結(jié)構(gòu)的較大晶體.文章討論了其可能的組裝機(jī)制.

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)纖維對細(xì)胞沒有毒性。

以共沉淀法制備了羥基磷灰石/絲蛋白(ha/sf)復(fù)合骨修復(fù)材料,并對材料進(jìn)行了xrd、tem、sem、孔徑分布和孔隙率等相關(guān)的測試和表征。結(jié)果表明:該復(fù)合材料的無機(jī)組分為20~30nm長、5nm寬的棒狀羥基磷灰石(ha)結(jié)晶,這些晶粒沿c軸自組裝團(tuán)聚成簇分散在絲蛋白基質(zhì)中形成三維多孔結(jié)構(gòu),其孔徑分布在0.3~115μm之間,開口孔隙率達(dá)66%。該材料植入動物體內(nèi),未出現(xiàn)明顯的排異反應(yīng),在植入部位有連續(xù)的骨性連接和新生骨形成,說明ha/sf復(fù)合材料具有良好的生物相容性和骨誘導(dǎo)活性。

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)實驗研究了復(fù)合支架材料的降解特性和生物相容性.體外降解實驗結(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)一步生長和完善.利用細(xì)胞計數(shù)法、四甲基偶氮唑鹽(mtt)比色法和堿性磷酸酶(alp)活性測定等分析了復(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。

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。

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.

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,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ha和vectraa950的界面進(jìn)行改性以提高其結(jié)合性能。

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)性能測試等方法對兩種復(fù)合材料的特性進(jìn)行了表征。通過對兩種方法制備的復(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。

目的比較復(fù)合不同劑量血管內(nèi)皮生長因子(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)作為實驗組,以nhac人工骨植入組及空白組作為對照組。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)果各時間點組織學(xué)評分以及血管計數(shù)均為nhac/300ngvegf人工骨組最高,于其他各組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義。各實驗組血管數(shù)量在4周時達(dá)到高峰,而nhac組血管數(shù)量在8周時最多。結(jié)論血管內(nèi)皮生長因子能明顯促進(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。

目的設(shè)計和構(gòu)建三維絲素蛋白/羥磷灰石骨組織工程支架材料。方法聯(lián)合運(yùn)用絲素蛋白非編織方法和仿生礦化技術(shù),制備并表征三維多孔絲素蛋白/納米羥磷灰石的有機(jī)/無機(jī)組織工程支架。結(jié)果仿生礦化在非編織支架上形成的針狀羥磷灰石晶體,直徑20～60nm,長100～300nm。復(fù)合支架孔隙度為70%～78%,孔徑為(163.4±42.6)μm。結(jié)論采用非編織絲素蛋白和仿生礦化的方法可制備孔隙度和孔徑可控的組織工程支架。