納米磷酸鈣的制備及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，基于磷酸鈣材料的生物礦化的最新進(jìn)展表明納米鈣磷顆粒在自然界的硬組織形成過(guò)程中扮演了重要的角色。盡管天然骨和牙釉質(zhì)的材料性質(zhì)和它們的多級(jí)結(jié)構(gòu)有所不同，但它們的基本無(wú)機(jī)組成單元都可能是是納米磷灰石。納米尺度可以賦予生物材料在生物體液環(huán)境中具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，例如機(jī)械強(qiáng)度的增強(qiáng)和動(dòng)力學(xué)上的自我保護(hù)。在生物體中，數(shù)十到數(shù)百個(gè)納米顆粒可以在有機(jī)基質(zhì)的調(diào)控下組裝的形成生物礦物。隨著納米技術(shù)和生物材料的發(fā)展，納米磷酸鈣及其復(fù)合材料的制備

2、及其在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用都得到了廣泛關(guān)注。
　　 本論文研究了尺寸可控的納米磷酸鈣的制備和應(yīng)用。研究涉及不同尺寸的納米磷酸鈣顆粒的合成及其對(duì)骨相關(guān)細(xì)胞生長(zhǎng)的影響；利用聚合物發(fā)展出一種生物友好環(huán)境下納米磷酸鈣顆粒的新合成方法；在排除了尺寸效應(yīng)后研究不同結(jié)晶度的納米磷酸鈣對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)分化的影響；還嘗試?yán)昧姿徕}顆粒制備復(fù)合支架材料來(lái)改善骨修復(fù)。全文共分六章：
　　 第一章簡(jiǎn)要介紹了磷酸鈣生物礦化的基本知識(shí)、生物硬組織中的磷酸鈣的

3、結(jié)構(gòu)、納米磷酸鈣制備和應(yīng)用研究的進(jìn)展、磷酸鈣在組織工程中的應(yīng)用等。通過(guò)總結(jié)了磷酸鈣材料研究中的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題引出我們對(duì)這些問(wèn)題的觀點(diǎn)及相關(guān)的研究計(jì)劃。
　　 第二章研究了不同尺寸的羥基磷灰石(HAP)對(duì)骨肉瘤細(xì)胞(U2OS)的生長(zhǎng)和活性的影響。我們利用表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為控制劑合成具有不同尺寸(20、40和80nm)的HAP納米顆粒及尺寸大于100nm的普通納米HAP。課題組先前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)20nm磷酸

4、鈣能夠促進(jìn)骨間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)的增殖，而且其促進(jìn)效果隨著尺寸的增加而減少。在此基礎(chǔ)上，我們又研究了不同尺寸HAP顆粒對(duì)骨肉瘤細(xì)胞增殖和生物活性的影響。我們把用不同尺寸的HAP顆粒制成薄膜或懸濁液，然后和U2OS細(xì)胞共培養(yǎng)。生長(zhǎng)曲線和MTT法檢測(cè)結(jié)果表明20nm羥基磷灰石顆粒對(duì)U2OS的生長(zhǎng)和活性具有最大的抑制作用，而且隨著顆粒尺寸的增加這種抑制作用相應(yīng)減弱。由此提出20nm HAP顆粒作為硬組織腫瘤摘除后的醫(yī)用修復(fù)材料具有明顯的優(yōu)

5、勢(shì)。該工作強(qiáng)調(diào)了磷酸鈣材料的尺寸效應(yīng)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的重要性。
　　 第三章著重于納米磷酸鈣顆粒的結(jié)晶度對(duì)骨相關(guān)細(xì)胞的生物行為的影響。我們先制備了具有相同尺寸(20nm)但結(jié)晶度不同的HAP和ACP顆粒從而排除了納米磷酸鈣的尺寸效應(yīng)對(duì)細(xì)胞行為的影響。然后檢測(cè)了BMSC在兩種磷酸鈣材料上的粘附、增殖和成骨分化水平。結(jié)果表明在非晶納米磷酸鈣既ACP上BMSC的黏附比其晶相的磷酸鈣即HAP稍低，但是HAP對(duì)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的增殖具有更大

6、促進(jìn)作用，并且還顯著提高了BMSC細(xì)胞的成骨分化能力。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全不同于以往人們對(duì)磷酸鈣結(jié)晶度-骨相關(guān)細(xì)胞行為關(guān)系認(rèn)識(shí)（往往認(rèn)為ACP對(duì)BMSC具有更好的生物活性），我們能認(rèn)為主要原因是在過(guò)去的研究中人們沒(méi)有考慮到尺寸效應(yīng)，所采用的ACP的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于HAP。因此，該工作從另一角度再次強(qiáng)調(diào)了在生物材料研究中顆粒尺寸效應(yīng)的重要性。
　　 第四章探討了如何采用更加生物友好的方法制備不同尺寸的磷酸鈣顆粒。在己知納米磷酸鈣的生物活性

7、與其尺寸有著密切的關(guān)系后，我們希望找到一種生物友好的方法來(lái)合成磷酸鈣顆粒，其原因是先前工作中所采用的結(jié)晶控制劑也就是CTAB的生物相容性并不好。鑒于聚丙烯酸(PAA)具有良好的生物相容性，我們利用不同濃度的PAA溶液作為添加劑來(lái)合成磷酸鈣，得到了5-60nm不同尺寸的顆粒。為了了解產(chǎn)品的生物相容性，我們用BMSC與所得到的20nm顆粒共培養(yǎng)，研究了這些含有PAA分子的磷酸鈣顆粒對(duì)細(xì)胞增殖和活性的影響，并與含有CTAB的20nm磷酸鈣顆粒

8、進(jìn)行比較。結(jié)果表明PAA的存在對(duì)顆粒的生物相容性和活性基本沒(méi)有影響，而CTAB的存在明顯抑制了細(xì)胞的活性。因此在納米磷酸鈣合成的洗滌階段，采用PAA的方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這是一種簡(jiǎn)易且生物友好的制備方法。
　　 第五章嘗試了20nm HAP在支架性能改進(jìn)中的應(yīng)用.在這項(xiàng)工作中,我們制備了20nmHAP和聚乳酸的復(fù)合支架(20HAP/PLA)并研究其對(duì)骨修復(fù)的促進(jìn)作用;為了對(duì)照,我們還合成了純PLA,PLA和普通HAP復(fù)合支架(c

9、HAP/PLA).在體外實(shí)驗(yàn)中,我們?cè)诠嗔鞯捏w系實(shí)現(xiàn)人體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSC)與各種支架的培養(yǎng)并定量檢測(cè)細(xì)胞的活性、增殖以及分化.結(jié)果表明20HAP/PLA支架具有比其他支架更優(yōu)異的生物相容性和促進(jìn)成骨分化的能力。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，我們利用兔子脛骨的骨修復(fù)模型，把不同支架植入兔子體內(nèi)培養(yǎng)4周后取出，用HE染色，X射線顯微照片以及RT-PCR來(lái)研究20HAP/PLA支架對(duì)骨缺損部位的修復(fù)能力，同樣發(fā)現(xiàn)了20HAP/PLA支架具有獨(dú)特的迅