納米磷酸鈣生物陶瓷的制備及其生物學(xué)效應(yīng)研究.pdf

1、硬組織修復(fù)用磷酸鈣生物陶瓷材料一直是國內(nèi)外生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域研究的主要課題之一。磷酸鈣是自然骨的無機(jī)組成，不僅具有良好的生物相容性，且能與新骨形成化學(xué)鍵性結(jié)合，還可誘導(dǎo)骨組織再生。骨組織中的磷酸鈣主要以納米微晶有序沉積在骨膠原基質(zhì)中，存在著大量的結(jié)構(gòu)缺陷。目前應(yīng)用的磷酸鈣陶瓷主要通過高溫?zé)Y(jié)工藝制備，結(jié)晶完善、過于穩(wěn)定但活性欠佳，結(jié)構(gòu)和性能與自然骨礦物相差甚遠(yuǎn)。納米磷酸鈣與骨磷灰石在組成、結(jié)構(gòu)和尺度上的相似性，使得納米磷酸鈣陶瓷有望成為一

2、種生物學(xué)性能優(yōu)良的骨修復(fù)材料。 納米磷酸鈣生物陶瓷研究的主要問題是如何獲得具有納米尺度晶粒的陶瓷燒結(jié)體以及評(píng)價(jià)納米晶粒所導(dǎo)致的生物學(xué)反應(yīng)。納米磷酸鈣陶瓷的制備，應(yīng)有納米尺度的磷酸鈣粉體。納米磷酸鈣粉體具有高度的表面活性，極易團(tuán)聚，通常條件下難于獲得納米尺度的固態(tài)粉體。抑制燒結(jié)過程中納米磷酸鈣晶粒的長(zhǎng)大，是制備工藝的又一難題。本文以納米尺度的磷酸鈣漿料為原料，通過對(duì)其流變性能及影響因素研究、雙氧水發(fā)泡成型工藝優(yōu)化，利用漿料直接成型

3、來制備納米磷酸鈣初坯體；通過對(duì)微波燒結(jié)保溫體的設(shè)計(jì)和燒結(jié)工藝的優(yōu)化，應(yīng)用微波燒結(jié)工藝成功地獲得了晶粒尺寸小于100nm的多孔納米磷酸鈣陶瓷；通過不同晶粒尺寸的磷酸鈣陶瓷的體外蛋白質(zhì)吸附、成骨細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，以及材料植入非骨部位的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，初步評(píng)價(jià)了其生物相容性，探察了晶粒尺度對(duì)其生物學(xué)性能的影響；研制出具有骨誘導(dǎo)性的納米磷酸鈣骨支架材料。 采用液相沉淀法，獲得了顆粒尺寸在納米尺度的磷酸鈣漿料。本文通過合成工藝參數(shù)優(yōu)化，選擇聚丙烯酸

4、作為合成添加劑，所得漿料中顆粒分布均勻，平均粒度約為80nm。 以未經(jīng)干燥的羥基磷灰石漿料為原料，通過添加劑對(duì)體系的流變性能研究，獲得了具有良好穩(wěn)定性、流變性和觸變性的HA漿料分散體系。研究結(jié)果表明：添加甲基纖維素、聚丙烯酸、聚乙烯醇及聚乙二醇，都會(huì)使?jié){料呈現(xiàn)出假塑性流體特性。其中聚乙二醇、聚乙烯醇、甲基纖維素體系的分散機(jī)理為空間位阻效應(yīng)，聚丙烯酸體系的分散機(jī)理為靜電位阻效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)制備穩(wěn)定的HA漿料，添加劑聚乙二醇、

5、聚乙烯醇、甲基纖維素、聚丙烯酸的最佳用量分別為5wt％，0.5wt％，0.5wt％，1.5wt％。其中，聚乙二醇及甲基纖維素的加入使?jié){料的Zeta電位達(dá)到-60及-70mV，大大改善了磷酸鈣漿料的流動(dòng)性與穩(wěn)定性，甲基纖維素的加入還使?jié){料的觸變性顯著提高，從而有助于形成理想的孔隙結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步通過對(duì)雙氧水發(fā)泡成型工藝的條件研究，優(yōu)選得出發(fā)泡成型過程適宜的溫度為40～50℃，并制得了孔隙率適宜，孔隙結(jié)構(gòu)較為理想的陶瓷燒結(jié)的初坯體。 在

6、燒結(jié)工藝方面，選用了微波燒結(jié)工藝。自行設(shè)計(jì)了SiC保溫體，并選用石墨作為埋粉，有效地提高了磷酸鈣材料吸波能力，大大提升了磷酸鈣陶瓷的燒結(jié)性能，促進(jìn)了微波燒結(jié)技術(shù)在生物陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用。通過上述設(shè)計(jì)，獲得了多孔納米磷酸鈣陶瓷（晶粒度小于100nm）。確定的優(yōu)化燒結(jié)條件是：微波燒結(jié)溫度為1050℃，比常規(guī)燒結(jié)工藝低大約100℃，保溫時(shí)間1分鐘，從而避免了燒結(jié)過程中晶粒長(zhǎng)大的問題。制得的多孔磷酸鈣陶瓷，可滿足誘發(fā)材料骨誘導(dǎo)性的孔隙結(jié)構(gòu)要求，大孔

7、、微孔相互貫通。材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.0～10.0MPa（樣品孔隙率為65％）。 研究所獲得的多孔磷酸鈣陶瓷樣品進(jìn)行了體內(nèi)、外生物學(xué)研究。體外成骨細(xì)胞培養(yǎng)、蛋白吸附及體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：陶瓷晶粒尺度和相組成對(duì)于材料生物活性有顯著的影響，陶瓷晶粒尺度降低，未發(fā)現(xiàn)對(duì)成骨不利的生物學(xué)反應(yīng)，同時(shí)可使材料的生物活性明顯提高；相同晶粒尺度的HA／TCP材料，其生物學(xué)性能優(yōu)于HA材料。 不同晶粒尺度的磷酸鈣陶瓷體外成骨細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

8、隨著晶粒尺寸的減小，磷酸鈣陶瓷對(duì)ROS17／28細(xì)胞增殖和分化能力顯著提高。MTT實(shí)驗(yàn)表明：具有納米尺度晶粒的HA及HA／TCP陶瓷有利于細(xì)胞的貼附和增殖，該成骨細(xì)胞在HA／TCP陶瓷表面的增殖比在HA陶瓷表面顯著；成骨細(xì)胞堿性磷酸酶（ALP）活性檢測(cè)結(jié)果表明：納米HA陶瓷ALP表達(dá)水平是微米HA陶瓷的3倍，而納米HA/TCP陶瓷是微米HA/TCP陶瓷的2.5倍，這說明具有納米尺度晶粒的磷酸鈣陶瓷對(duì)于成骨細(xì)胞的分化可起到促進(jìn)作用。SEM

9、觀察結(jié)果顯示，晶粒尺度從微米、亞微米直至納米水平的磷酸鈣陶瓷都可以支持成骨細(xì)胞在其表面黏附生長(zhǎng)。在納米陶瓷樣品上，細(xì)胞形態(tài)完整、偽足伸展明顯、增殖活躍，細(xì)胞顯示出旺盛的生命代謝狀態(tài)。 體外測(cè)定小牛血清蛋白在微米及亞微米磷酸鈣陶瓷上的吸附，來比較不同晶粒尺度的磷酸鈣陶瓷對(duì)蛋白吸附的差異性。結(jié)果表明亞微米陶瓷比微米陶瓷有更顯著的吸附，HA/TCP陶瓷較HA有較強(qiáng)的蛋白吸附。 磷酸鈣陶瓷植入狗肌肉45天的組織學(xué)觀察結(jié)果表明：微