納米晶體纖維素增強(qiáng)磷酸鈣骨水泥的研究.pdf

1、磷酸鈣骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)在臨床上已廣泛用作骨組織的修復(fù)材料，但由于CPC力學(xué)強(qiáng)度不足，尚不能作為負(fù)重部位的骨替代材料。納米晶體纖維素(Nanocrystalline Cellulose，NCC)具有高強(qiáng)度、高結(jié)晶度、高比表面積、高長(zhǎng)徑比和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于復(fù)合材料的增強(qiáng)。此外，NCC還具有可降解和生物相容等特性，可應(yīng)用于生物材料。因此，本論文將NCC作為增強(qiáng)相與CPC復(fù)合，研究和優(yōu)化

2、NCC/CPC復(fù)合材料的制備工藝，使NCC較均勻的分散在CPC中，進(jìn)而探索NCC對(duì)CPC抗壓強(qiáng)度、凝固時(shí)間、物相組成等性能的影響規(guī)律和相關(guān)機(jī)理。通過(guò)與成骨細(xì)胞共培養(yǎng)，評(píng)價(jià)了NCC/CPC復(fù)合材料對(duì)成骨細(xì)胞形貌及活性的影響。
　　選用Biocement D磷酸鈣骨水泥配方，首先將不同含量的NCC(0、2wt.％和4wt.％)分散到CPC的液相磷酸鹽緩沖液(PBS)中，按液固比0.3 mL/g與CPC粉末調(diào)和制備含不同NCC的NCC/

3、CPC復(fù)合材料，研究了不同NCC含量對(duì)CPC理化性能的影響。結(jié)果表明，2％和4％的NCC均可顯著提高CPC的抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性，且2％ NCC/CPC的抗壓強(qiáng)度最高，為26.9±3.4 MPa，與空白CPC相比，抗壓強(qiáng)度約提高50％。NCC/CPC的凝固時(shí)間隨NCC含量的增加而延長(zhǎng)，但2％ NCC/CPC凝固時(shí)間滿足臨床需求。NCC與Ca2+形成不穩(wěn)定的配合物，促進(jìn)了DCPD和CaCO3的溶解和轉(zhuǎn)化。NCC的加入使CPC中孔隙和裂紋減少

4、，顆粒尺寸減小。同時(shí)NCC具有高長(zhǎng)徑比，可能對(duì)裂紋具有橋接作用，起到補(bǔ)強(qiáng)增韌的作用，從而提高CPC的抗壓強(qiáng)度。熒光素7-氨基-4-甲基香豆素(AMC)標(biāo)記NCC，熒光顯微照片表明NCC顆粒在CPC中非均勻分布，其分散性有待于提高。
　　采用TEMPO/NaBr/NaClO催化氧化體系對(duì)NCC進(jìn)行羧基化改性，提高NCC在液相中分散性，通過(guò)冷凍干燥得到羧基化的NCC(CNCC)粉末，然后分別制備NCC和CNCC含量為2％的CPC復(fù)合材

5、料。研究了CNCC具有最大羧基含量的實(shí)驗(yàn)條件，并表征了NCC、CNCC的相關(guān)性能，測(cè)試了NCC/CPC和CNCC/CPC的抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明，通過(guò)TEMPO催化氧化法在NCC上成功引入-COOH，CNCC獲得最大羧基含量的反應(yīng)條件為:0～5℃（冰水?。?、pH為10.5、TEMPO用量為14 mg/g NCC，最大羧基含量為0.89 mmol/g。NCC約長(zhǎng)200 nm，寬15 nm，而CNCC的尺寸有所減小，長(zhǎng)約為180 nm，寬10n

6、m，可能是由于NCC在羧基化過(guò)程中顆粒表面的部分非晶成分水解所致。在氧化過(guò)程中，因NCC中仍有部分非晶態(tài)纖維素發(fā)生降解，結(jié)晶態(tài)纖維素相對(duì)含量提高，CNCC的結(jié)晶度增大，晶粒尺寸減小，但結(jié)構(gòu)組成沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。 CNCC經(jīng)冷凍干燥后，得到呈絮狀的二次團(tuán)聚體CNCC粉末，在水中很難再分散，可能會(huì)導(dǎo)致所制備的CNCC/CPC存在內(nèi)部缺陷，因應(yīng)力集中而造成CNCC/CPC的抗壓強(qiáng)度較NCC/CPC低。
　　采用原位合成的方法制備含2w

7、t.％(與CPC固相粉末的質(zhì)量百分比)NCC和CNCC的HA復(fù)合粉體(NCC-HA，CNCC-HA)，并與其它固相粉末均勻混合，制備不同CPC(NCC-CPC，CNCC-CPC)。表征了原位合成NCC-HA和CNCC-HA粉體的理化性質(zhì)及其對(duì)CPC抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，原位合成的NCC-HA和CNCC-HA具有納米尺寸，由許多針狀和花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)組成，且CNCC-HA具有更高的結(jié)晶度?？箟簭?qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示NCC和CNCC以原位合成HA的

8、方式加入CPC后，均能顯著提高CPC的抗壓強(qiáng)度，分別為38 MPa和45 MPa。其中與空白CPC相比，CNCC-CPC的抗壓強(qiáng)度約提高80％，而與NCC-CPC相比，CNCC-CPC的抗壓強(qiáng)度約提高20％。NCC和CNCC能促進(jìn)DCPD的溶解和轉(zhuǎn)化，減少CPC內(nèi)部的空隙和裂紋。另外，具有高長(zhǎng)徑比的NCC和CNCC可能對(duì)微裂紋具有橋接作用，且能夠與基體很好的結(jié)合，是NCC和CNCC提高CPC抗壓強(qiáng)度的主要原因。CNCC表面具有豐富的-O

9、H和-COOH，對(duì)Ca2+的結(jié)合能力更強(qiáng)，且CNCC在CPC中具有更好的分散性，更能夠有效地阻礙裂紋的擴(kuò)展，是CNCC-CPC的抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高的原因。
　　將原位合成制備的CNCC-CPC、NCC-CPC和空白CPC與成骨細(xì)胞共培養(yǎng)，評(píng)價(jià)各CPC上細(xì)胞的粘附、增殖和分化能力?；罴?xì)胞熒光染色和SEM結(jié)果表明:各組CPC表面均粘附了大量的成骨細(xì)胞，細(xì)胞之間通過(guò)偽足連接，具有多種形態(tài)且有較強(qiáng)的立體感。細(xì)胞周圍有許多微小的偽足與材料表

10、面緊密連接，呈現(xiàn)良好的細(xì)胞活性。AlamarBlue和堿性磷酸酶(Alkaline phosphate，ALP)檢測(cè)結(jié)果顯示:成骨細(xì)胞的增殖活性與ALP活性與時(shí)間呈依賴關(guān)系，同一時(shí)間點(diǎn)各組CPC共培養(yǎng)的成骨細(xì)胞活性和ALP活性無(wú)顯著性差異，說(shuō)明通過(guò)原位合成在CPC中加入2wt.％的NCC和CNCC對(duì)成骨細(xì)胞的增殖和分化活性沒(méi)有顯著性影響。
　　本論文研究和優(yōu)化NCC/CPC復(fù)合材料的制備工藝，顯著提高了CPC的抗壓強(qiáng)度和韌性，為C