骨修復和骨病治療藥物載體CPP-CS復合材料的仿生合成及性能研究.pdf

1、本論文的研究目標是運用仿生的方法合成出具有良好綜合性能的載藥CPP/CS骨修復復合材料(TCSCC)，研究其復合方法、合成條件、結構機理以及力學性能、可控降解釋藥性能、抗金黃色葡萄球菌的效果及與成骨細胞的相容性等。 CPP(聚磷酸鈣)具有優(yōu)異的生物相容性、生物活性、骨傳導性、可生物降解性等，但單獨用CPP作為骨修復材料存在兩個問題，一是CPP降解速率太慢，二是CPP在降解過程中強度損失太快。為了解決這些問題，因而選用具有優(yōu)異生物

2、相容性、生物可降解性和韌性較好的天然高分子材料CS(殼聚糖)作為有機成分，采用懸浮液熱分散復合法，與無機成分CPP進行仿生復合，合成出了力學性能較好、可控降解的CPP/CS骨修復復合材料棒材，測定了棒材的孔徑和孔隙率，探索了棒材的成孔機理和復合機理。并用相同的復合方法，合成出了CPP/CS骨修復復合材料顆粒，同棒材進行了對比研究。 在治療和修復骨折、骨缺損和骨缺失的過程中常常伴隨有慢性骨髓炎的發(fā)生，引起慢性骨髓炎的病菌主要是金黃

3、色葡萄球菌，為了在修復骨的同時又能治療慢性骨髓炎，所以，選用對金黃色葡萄球菌有抑制和殺滅作用的TH(鹽酸四環(huán)素)藥物，采用復合交聯(lián)反相乳液聚合法，合成出TCM(CS載藥微球)；用凝聚相分離法，制備出了STCM(復合載藥微球)；用懸浮液熱分散復合法，合成出包裹STCM的載藥CPP/CS骨修復復合材料顆粒(TCSCC)。研究TCSCC的實驗合成條件、結構以及降解性能和藥物釋放性能，研究TH殺滅金黃色葡萄球菌的性能和TCSCC的成骨細胞相容性

4、，為材料用于骨缺損修復和慢性骨髓炎治療提供實驗研究依據(jù)。主要的研究結果如下： (1)經(jīng)過幾種復合方法的選擇、比較，確定了一種懸浮液熱分散復合法，即將CPP懸浮在無水乙醇中，再分散在加熱的CS-HAC溶液中，得到均勻的復合懸液，這是本文在復合方法上的特別之處。 (2)仿照人體骨的成分、配比、結構及功能。人體骨的成分是無機有機復合，即取無機相CPP和有機相CS的成分仿生；無機有機重量配比近似為70/30，取CPP/CS=70

5、/30的配比仿生；CPP的分子鏈結構類似于ATP(三磷酸腺苷)的高能磷酸鍵-O-P-O-，水解時放出的能量可以被成骨細胞利用，對骨的生長有促進作用，所以選擇CPP是在結構和功能上仿生。應用懸浮液熱分散復合法，合成出了均勻、致密、強度較高的CPP/CS仿生復合材料棒材(由致孔劑成孔)和顆粒(未加致孔劑、而由凝聚相分離工藝成孔)。 (3)采用復合交聯(lián)反相乳液聚合法，合成出TCM；再用凝聚相分離法，將TCM包覆在SA(海藻酸鈉)內，制

6、備出STCM(復合載藥微球)；最后用CPP和CS作為原料，運用懸浮液熱分散復合法，利用仿生復合配比：CPP/CS=70/30，合成出包裹STCM的載藥CPP/CS骨修復復合材料(TCSCC)。 (4)CPP/CS復合材料結構的研究，從分子水平上探索出CPP和CS的復合機理為：①氫鍵的形成：CPP中磷氧雙鍵上的氧和CS中氨基、羥基上的氫形成了氫鍵(P=O……H-N-或P=O……H-O-)，CPP和CS的分子間發(fā)生靜電作用。②配合物

7、的形成：CPP中鈣離子的外層s、p、d空軌道，可以接受N和O上的孤對電子，而形成配合物，CPP與CS分子間會發(fā)生化學鍵作用。 (5)CPP/CS復合材料力學性能研究，復合材料中無機相和有機相的比例為CPP/CS=75/25、CPP/CS=70/30、CPP/CS=65/35的多孔復合材料力學性能較好。其中配比為CPP/CS=70/30的復合材料的壓縮強度最高，其無機相與有機相的重量比與人體骨中的比例最接近，說明仿生(成分和組成仿

8、生)合成才能達到最好的性能。 (6)CPP/CS復合材料的降解性研究，以分子量為42萬的CS、脫乙酰度為75.56％的CS、粒徑為≤50μm(通過300目分樣篩)的CPP作為原料，配比為CPP/CS=70/30，所得復合材料降解速率最快。說明復合可以提高CPP的降解速率，而改變CPP的粒徑、改變CS的分子量和脫乙酰度、改變CPP和CS的配比，可以調節(jié)CPP/CS復合材料的降解速率。 (7)TCSCC的降解釋藥性能研究，T

9、CSCC的降解釋藥過程分為兩個階段：第一階段為小分子擴散溶出和藥物的擴散釋放階段(出現(xiàn)了"突釋"現(xiàn)象)，符合零級釋放規(guī)律P=at+b，釋放量與時間為直線關系；第二階段為材料的緩慢降解導致藥物釋放的階段，這一階段的釋放規(guī)律相當于Higuichi方程的形式：P=a t<'1/2>+b，釋放量與時間為非直線關系。TCSCC集骨修復功能和釋藥治病功能于一體，藥物釋放自始至終貫穿于材料降解的全過程，使骨缺損修復和慢性骨髓炎的治療同時進行。改變CP

10、P的粒徑、改變CS的分子量和脫乙酰度、改變CPP和CS的配比，就可以調節(jié)TCSCC的降解釋藥速率。 (8)材料的抗菌性能研究，樣品CPP、SA和蒸餾水沒有抗菌性能，其它除空白以外，都有抗菌效果?？菇瘘S色葡萄球菌作用最強的是TH(四環(huán)素原藥)，其它載有TH藥物的TCM、STCM和TCSCC復合材料，都具有較好的抗金葡菌性能。 (9)材料成骨細胞相容性研究，除了TH(四環(huán)素)原藥對成骨細胞有一定傷害外，本實驗所用原材料、合成

11、出的TCM、STCM和TCSCC等對成骨細胞都沒有毒性。成骨細胞在材料上的生長符合黏附、生長、繁殖和分化的一般規(guī)律。 本論文的創(chuàng)新點： (1)懸浮液熱分散復合法，在加熱條件下，用稀HAC溶液溶解CS，用無水乙醇分散CPP后再與CS加熱攪拌下復合，得到分散均勻的CPP/CS復合懸液。 (2)仿生合成，選擇具有與高能磷酸化合物ATP中的-O-P-O-鍵類似結構的CPP作為無機成分，天然高分子材料CS作為有機成分，發(fā)現(xiàn)

12、用CPP和CS復合，其配比為CPP/CS=70/30(人體骨中無機有機相的重量比近似為70/30)時，復合材料的力學性能最好。 (3)CPP/CS骨修復材料的雙功能化：CS是具有良好的生物相容性和可降解性的天然高分子材料，CS還能抑制多種細菌的生長，具有廣譜抗菌性；CPP具有優(yōu)異的生物相容性、生物活性、骨傳導性、可生物降解性等，對成骨細胞的生長有促進作用。而復合材料CPP/CS具有抗菌消炎、骨缺損修復的雙重功能。 (4)

13、TCSCC的降解可控性和釋藥可控性，復合材料中，CS降解速度快，CPP降解速度慢，隨著CS含量的增加，復合材料的降解速率增加，相反CPP增加時，降解速率就降低。而改變CPP的粒徑、CS的分子量、CS的脫乙酰度以及CPP和CS的配比，可以調控TCSCC的降解速率和釋藥速率。 (5)載藥多層復合多功能化，發(fā)現(xiàn)TCSCC具有抗菌功能、骨修復功能和釋放藥物的功能。即能夠在修復骨缺損的同時，釋放出TH藥物殺滅金黃色葡萄球菌以治療慢性骨髓炎