纳米羟基磷灰石与壳聚糖复合硬组织修复材料研究

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1、四川火学博士学位论文纳米羟基磷灰石与壳聚糖复合硬组织修复材料研究生物医学工程专业研究生张利指导教师李玉宝教授摘要单纯的有机或无机材料很难满足临床上对骨修复材料生物活性及生物力学性能的综合要求。理想的骨修复材料，应当具有良好的生物相容性和离的生物活性，其力学性能与天然骨相当或稍优于天然骨。因此，设计和制备更接近骨矿物组成的纳米羟基磷灰石及其复合材料成为当前骨组织修复材料研究的热点。羟基磷灰石fHA)是骨组织的主要无机成分，生物相容性好，具有较高的生物活性，能够与骨组织形成化学键合，但其脆性和不易加工性也限制了其应用。聚合物材料具有较好的韧性，但缺乏生物

2、活性。如果综合二者的性能，扬长避短，优势互补，可望得到一种理想的骨修复替代材料。天然骨的主要矿物成分是弱结晶态含碳酸根的纳米磷灰石晶体，在体内参与骨的新陈代谢，具有很高的生物活性。因此，合成组成和形态类似于骨矿物质的纳米类骨磷灰石晶体是制备高性能复合骨修复材料的前提。本文以Ca(OH)2和H3P04为原料，通过中和反应法合成羟基磷灰石前驱体，并于140℃、0．3MPa条件下进行水热处理，得到羟基磷灰石晶体。研究结果表明，该磷灰石晶体呈纳米短棒状形态，属弱结晶结构，并含有少量的C032‘，与天然骨磷灰石晶体的结构和组分相似。合成磷灰石晶体中的C032-

3、是在合成及水热处理过程中引入的，其含量低于天然骨磷灰石。为使合成的磷灰石晶体结构和组分更接近于骨矿物质，本文通过在反应物中引入碳酸盐，用相同的方法合成了含C032-羟基磷灰石(CHA)晶体。研究结果表明，CHA中碳酸根的含量与天然骨磷灰石相当，晶粒尺寸显著减小，与骨磷灰石晶体尺寸极其接近。由于碳酸根进入CHA晶格内部，使CHA的晶体结构不完整，呈现与骨磷灰石纳米羟基磷灰石与壳聚糖复合硬组织修复材料研究相似的弱结晶状态。壳聚糖是一种天然的生物可降解多糖，其降解产物为氨基葡萄糖，具有一定的碱性，对人体及组织无毒、无害。将其与纳米羟基磷灰石复合，不仅可克服

4、羟基磷灰石块状陶瓷的脆性，而且其降解又可为细胞及组织的长入提供空间，从而可以促进新骨的生成，并使植入物与骨组织间结合更为牢固。壳聚糖在pH值大于6时就从溶液中沉淀出来，而羟基磷灰石在此条件下也以沉淀形式出现，所以本文采用共沉淀法制备了纳米羟基磷灰石／壳聚糖(n—HA／CS)复合材料。实验结果表明，复合材料中HA为弱结晶含碳酸根的纳米级晶体，并均匀分散在CS聚合物基体中：复合材料中n—HA和CS两相问有良好的相容性，没有相分离现象发生；复合材料中两相闯存在较强的相互作用，由此赋予材料良好的力学性能。当复合材料中CS含量为30wt％时，其抗压强度最高，达

5、120MPa左右。体外模拟体液(SBF)浸泡试验结果表明，复合材料中有机相CS在浸泡过程中逐渐发生降解，与此同时，在复合材料表面有类骨磷灰石层沉积，说明重量百分比为70／30的n-HA／CS复合材料具有较高的生物活性和可降解性。通过粒子沥滤法制备了11一HA／CS多孔支架材料。结果显示，该多孔材料中兼具大孔和微孔，大孔壁上又富含微孔，孔与孔之间连通性良好。当孔隙率为53．4％时，其抗压强度仍可达17MPa左右，可基本满足骨组织工程对细胞支架材料的要求。该多孔材料在SBF及去离子水中均具有一定的降解性和较高的吸水率，其降解速度和生物活性可通过碱液处理进

6、行调控和改善。为了提高n．HA／CS复合骨修复材料的临床适用性，通过在其中引入适量的ZnO粉末，并选用合适的固化液，制备了在空气、水、生理盐水及血液中均可快速固化的新型n—HA／CS复合骨水泥。理化性能结果表明，当ZnO与复合材料重量比为l／8、固化液与固相粉末比例为1．2ml／g时，该复合骨水泥的抗压强度和固化时间均较佳，在空气中二者分别为76．5MPa和10．5min，去离子水中分别为32．6MPa和9．2min；其在生理盐水中的抗压强度随浸泡时间的延长而升高，72小时后达最高值，之后由于CS的降解又呈下降趋势；该骨水泥在生理盐水中浸泡20天的p

7、H值一直与人体体液的pH值接近；而且该比例的骨水泥对水的接触角最小，表明其具有较高的亲水性和润湿性。IR、XRD及XPS分析结果表明，ZnO中的Zn2+离子与CS分子链中的氨基之间发生了络合反应，生成了CS．Zn2+络合物，从而加速了骨水泥在各种介质中的固化。SEM观察发II四川大学博士学位论文现，固化后骨水泥中含有大量的微孔结构，这对于新骨组织长入及爬行替代具有积极意义。体外SBF浸泡研究表明，该骨水泥在SBF中表现出较高的生物活性。抗菌试验结果发现，单纯的n—HA／CS复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌几乎没有抑制作用，而添加了ZnO后的骨水泥对

8、这两种细菌的抗菌性能大为改观，ZnO的含量越高，该骨水泥的抗菌性能也越好。关键词：纳米羟基磷灰石壳聚糖复合材