基于天然聚合物-磷灰石仿生礦化材料的骨支架研究.pdf

1、通過模擬骨的成分和結(jié)構(gòu)，采用仿生礦化方法合成膠原/納米羥基磷灰石(Col/nano-HA)材料，并以此為基礎(chǔ)制備骨組織工程支架是近年來的研究熱點(diǎn)。本文通過對仿生合成工藝條件的研究，得到了組裝程度高、礦化結(jié)構(gòu)好的膠原/納米羥基磷灰石復(fù)合材料；并利用天然聚合物殼聚糖(Cs)良好的成型加工性和生物相容性，以其作為骨支架的基體材料，采用水凝膠冷凍相分離-萃取工藝制備了天然聚合物/羥基磷灰石復(fù)合多孔支架。通過林格溶液和模擬體液(SBF)體外浸泡實(shí)

2、驗(yàn)，探討了殼聚糖支架和殼聚糖-膠原/納米羥基磷灰石復(fù)合支架的體外降解行為和生物活性。提出了電化學(xué)輔助沉積類骨磷灰石涂層改進(jìn)聚合物支架生物活性的方法，并將之與交替浸泡沉積法進(jìn)行了比較研究，最后采用正交試驗(yàn)對電化學(xué)輔助沉積工藝進(jìn)行了優(yōu)化。
　　 通過共混法與仿生法制備膠原/納米羥基磷灰石復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)比較，證實(shí)仿生法合成的膠原/納米羥基磷灰石材料具有與骨中礦化膠原纖維更加接近的多級組裝結(jié)構(gòu)。仿生工藝研究表明，攪拌會干擾膠原的凝膠

3、化過程，進(jìn)而對羥基磷灰石在膠原纖維內(nèi)的礦化生長產(chǎn)生不利影響；陳化時(shí)間對產(chǎn)物中無機(jī)相向羥基磷灰石轉(zhuǎn)變以及結(jié)晶程度有影響；反應(yīng)鹽溶液向膠原溶液的加入順序?qū)Σ牧辖M裝程度有影響；析出方法對礦物的結(jié)晶程度和纖維的組裝程度均有影響；反應(yīng)物配比對最終產(chǎn)物中礦物相的組成及含量有影響。綜上，欲獲到礦化和組裝良好的膠原/納米羥基磷灰石材料，仿生合成工藝條件應(yīng)為，在非攪拌條件下，先向膠原溶液中滴加磷酸二氫鈉，再滴加氯化鈣，采用正向析出方式析出產(chǎn)物，陳化12h

4、-36h。合成中反應(yīng)物的配比應(yīng)控制為：鈣磷原子比在1．67-2之間，有機(jī)．無機(jī)反應(yīng)物比在1：4-1：6之間，為提高羥基磷灰石的碳酸化程度，可添加適量碳酸鹽。
　　 本研究中仿生合成機(jī)制為磷酸根先結(jié)合在膠原的氨基端，然后鈣離子再結(jié)合到膠原的羧基端，在羥基磷灰石礦化形成的同時(shí)實(shí)現(xiàn)膠原首尾相接組裝，而磷灰石則在膠原的空隙區(qū)生長，因此羥基磷灰石在礦化膠原纖維組裝過程中起到橋接膠原分子的作用。
　　 純殼聚糖支架孔隙率為96％，壓

5、縮強(qiáng)度和模量分別為O．055MPa和0．796MPa，支架內(nèi)部孔隙高度連通，并具有徑向梯度孔徑尺寸和軸向管狀孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑范圍從幾十微米到幾百微米。與殼聚糖支架相比，殼聚糖/羥基磷灰石支架孔隙率略有降低，但壓縮強(qiáng)度增加明顯，且隨無機(jī)物含量增加而先增加再減小，壓縮強(qiáng)度和模量最高可達(dá)0．429MPa和13．4MPa。殼聚糖/羥基磷灰石支架也具有梯度孔徑和取向孔隙結(jié)構(gòu)，但無機(jī)含量過高時(shí)，無上述孔結(jié)構(gòu)特征。殼聚糖-膠原/納米羥基磷灰石支架具有徑

6、向梯度孔徑，而軸向孔隙的取向程度隨無機(jī)物含量增加而提高。當(dāng)支架中膠原/納米羥基磷灰石的加入量少于30％時(shí)，孔隙率、壓縮強(qiáng)度和模量與殼聚糖支架相差不大，但當(dāng)加入量超過40％時(shí)，支架孔隙率下降較明顯，壓縮強(qiáng)度和模量也顯著提高，最高分別可達(dá)0．5MPa和15MPa。根據(jù)分析可知，取向孔隙結(jié)構(gòu)是支架獲得較高力學(xué)性能的關(guān)鍵。
　　 林格溶液浸泡實(shí)驗(yàn)表明，支架具有良好的降解性能，降解過程受表面溶蝕和本體溶蝕共同作用，孔壁表面降解為分層解理機(jī)

7、制。模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)證明，殼聚糖-膠原/納米羥基磷灰石支架能快速誘導(dǎo)類骨磷灰石大量沉積，表現(xiàn)出非常優(yōu)異的生物活性；而殼聚糖支架在模擬體液中形成球形磷灰石顆粒，且沉積量不大，這表明雖然殼聚糖支架具有一定的體外誘導(dǎo)磷灰石形成能力，但生物活性不佳。浸泡過程中溶液pH值的變化表明，支架降解不會引起環(huán)境pH值的顯著變化。
　　 電化學(xué)輔助法在支架內(nèi)、外部孔壁表面沉積的類骨磷灰石涂層均優(yōu)于交替浸泡法，雖然電化學(xué)沉積的磷灰石總量一般低于交替浸

8、泡法，但支架力學(xué)性能的提高與交替浸泡法相近。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，類骨磷灰石沉積層的形成經(jīng)歷了沉積階段、聚集階段和生長階段，即先沉積少量的紡錘狀或針、棒狀磷灰石顆粒，然后隨沉積顆粒不斷增多聚集成針簇結(jié)構(gòu)，最后生長為片狀花樣多孔結(jié)構(gòu)。磷灰石沉積分布分析認(rèn)為，交替浸泡支架的磷灰石沉積量由外向內(nèi)遞減，而電化學(xué)輔助沉積是由端部向中部遞減。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，工藝因素影響沉積處理支架性能的主次順序?yàn)槌练e時(shí)間→溶液濃度→沉積電流。在正交條件范圍內(nèi)，支架壓縮強(qiáng)度隨

9、沉積電流增加或溶液濃度增加而增加，隨沉積時(shí)間延長而先增加再減少；孔壁表面沉積效果隨電流增加先變差再變好；隨沉積時(shí)間延長或溶液濃度增加而先變好再變差。所以，以提高支架力學(xué)性能為目時(shí)，工藝方案應(yīng)為90mA電流，沉積8h，陽極區(qū)溶液為0．5mol/L硝酸鈣和0．1mol/L醋酸鈉混合溶液，陰極區(qū)溶液為0．1mol/L磷酸鈉和0．2mol/L磷酸二氫鈉混合溶液；以支架表面改性為目的時(shí)，工藝方案應(yīng)為90mA電流，沉積8h，陽極區(qū)溶液為0．3mol