殼聚糖-羥基磷灰石三維仿生骨折內(nèi)固定材料的制備與細(xì)胞相容性研究.pdf

1、臨床上由于年齡老化、疾病以及嚴(yán)重創(chuàng)傷等原因而導(dǎo)致的骨折發(fā)病率較高。雖然傳統(tǒng)的金屬骨折內(nèi)固定材料在骨折內(nèi)固定中一直占據(jù)主導(dǎo)地位,但是也存在著應(yīng)力遮擋作用、腐蝕引起的慢性炎癥和誘發(fā)不良反應(yīng)、需二次手術(shù)取出等不可避免的缺點(diǎn)。近50年來,生物可吸收內(nèi)固定材料在骨折治療中具有金屬材料所無法比擬的優(yōu)勢,已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。但是,目前由于材料自身以及加工工藝等許多基本的科學(xué)問題沒有解決,生物可吸收內(nèi)固定材料還存在初始力學(xué)強(qiáng)度低,早期降解速度

2、快等問題;只能用于非承重骨,而不能用于四肢長管狀骨等承重骨的固定。
　　 骨是有序膠原纖維(Collagen)和取向排列的納米羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)共同形成的有生命的復(fù)合材料。骨的復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu)使其既具有HA的強(qiáng)度和硬度,又具有膠原的韌性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,20世紀(jì)五十年代以來,研究學(xué)者開始認(rèn)識(shí)到,模擬生物系統(tǒng)可以作為開辟新技術(shù)的主要途徑之一,并自覺地把生物界的靈感或原理等仿生用于各種新材料、新技

3、術(shù)的開發(fā),從中獲得解決問題的方法。因此,從對骨組織成分仿生的角度出發(fā),將高分子與無機(jī)填料復(fù)合,有望得到兼有柔韌性和強(qiáng)硬度、綜合兩者生物活性的復(fù)合材料用于骨組織修復(fù)。但是膠原本身的力學(xué)性能和加工成型性能較差,而殼聚糖(Chitosan,CS)與膠原相比,分子中的重復(fù)單元具有六元環(huán)結(jié)構(gòu),力學(xué)性能相對更穩(wěn)定。本文在詳細(xì)分析骨的組成、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能基礎(chǔ)上,以骨的組成和結(jié)構(gòu)為模型,選擇具有優(yōu)異生物相容性和生物活性的CS與HA復(fù)合體系為研究對象,

4、利用生物仿生原理制備了具有層狀結(jié)構(gòu)的CS/HA復(fù)合骨修復(fù)材料,并對其微結(jié)構(gòu)與性能之間的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了初步研究。
　　 首先,在原位沉淀法的基礎(chǔ)上,利用乙酸鈣(Ca(H3COO)2)和磷酸(H3PO4)作為鈣源和磷源與CS分子同時(shí)沉析,在CS基質(zhì)上原位生成HA,得到了具有層狀結(jié)構(gòu)、HA均勻分布的CS/HA復(fù)合棒材。力學(xué)性能研究結(jié)果表明,隨著HA含量的增加,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、吸水率和膨脹率均降低,而相應(yīng)模量有所升高;在m(CS)/

5、m(HA)為20/4時(shí),復(fù)合棒材的彎曲模量達(dá)到最大(5.7 Gpa);FTIR和XRD研究結(jié)果證明,原位生成的無機(jī)晶體為HA;EDX分析結(jié)果顯示,無機(jī)成分在有機(jī)基質(zhì)中為均勻分布,同時(shí)SEM-EDS研究結(jié)果表明,復(fù)合材料中Ca/P為1.55。棒材形成機(jī)理的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在原位沉淀法制備CS/HA凝膠棒過程中存在Liesegnagring現(xiàn)象,SEM測試結(jié)果證明,復(fù)合材料具有類似于樹木年輪的系列同心圓層狀結(jié)構(gòu)。
　　 其次,以三聚磷

6、酸鈉-磷酸鈉(TTP-TSP)混合溶液作為交聯(lián).水解媒介,模擬磷酸鈣骨水泥(Calcium phosphate cement,CPC)體系,將復(fù)合棒材于一定溫度條件下交聯(lián)一水解48 h;采用正交實(shí)驗(yàn)方法考察了交聯(lián)劑濃度、交聯(lián)-水解溫度對產(chǎn)物性能的影響,以此為依據(jù)優(yōu)化交聯(lián)-水解條件,并分析了水解作用對HA取向生長的影響。優(yōu)化條件下所得到的復(fù)合材料其彎曲強(qiáng)度及彎曲模量從原來的101Mpa和5.7 Gpa分別提高到133 Mpa和6.8 Gp

7、a。TEM電鏡結(jié)果顯示,HA為納米級(jí),尺寸在20-100 nm;XRD分析結(jié)果顯示,水解后HA沿c軸取向生長。CS/HA復(fù)合材料體外降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,材料在磷酸緩沖液(PBS)中浸泡的初始兩周中,降解液pH變化較小,從第二周開始pH變化趨于平穩(wěn);且棒材質(zhì)量損失較小,并且溶脹性能穩(wěn)定,6w的降解過程中復(fù)合材料力學(xué)性能相對穩(wěn)定。
　　 再次,本文對用原位沉淀法制備的CS/HA復(fù)合材料進(jìn)行了體外細(xì)胞相容性和骨誘導(dǎo)的初步研究。研究結(jié)果表

8、明,CS/HA復(fù)合材料具有的良好的細(xì)胞相容性和骨誘導(dǎo)性,可以促進(jìn)前成骨細(xì)胞(MC3T3-E1)的增殖和分化;細(xì)胞在材料表面粘附和伸展良好,在材料表面培養(yǎng)1-2 w,細(xì)胞開始分泌細(xì)胞外基質(zhì),2-3 w細(xì)胞外基質(zhì)開始礦化。
　　 此外,采用天然生物交聯(lián)劑——京尼平交聯(lián)、改性CS/HA復(fù)合棒材,從而獲得了同時(shí)具有層狀結(jié)構(gòu)和類似車輪輻條結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)絡(luò)狀殼聚糖基體,使復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度得到顯著提高,并有效抑制生物酶解對復(fù)合材料力學(xué)性能下降