殼聚糖-羥基磷灰石三維仿生骨折內固定材料的制備與細胞相容性研究.pdf

1、臨床上由于年齡老化、疾病以及嚴重創(chuàng)傷等原因而導致的骨折發(fā)病率較高。雖然傳統(tǒng)的金屬骨折內固定材料在骨折內固定中一直占據(jù)主導地位,但是也存在著應力遮擋作用、腐蝕引起的慢性炎癥和誘發(fā)不良反應、需二次手術取出等不可避免的缺點。近50年來,生物可吸收內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)成為國內外學者研究的熱點。但是,目前由于材料自身以及加工工藝等許多基本的科學問題沒有解決,生物可吸收內固定材料還存在初始力學強度低,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合材料。骨的復雜多級結構使其既具有HA的強度和硬度,又具有膠原的韌性。隨著科學技術的進步和發(fā)展,20世紀五十年代以來,研究學者開始認識到,模擬生物系統(tǒng)可以作為開辟新技術的主要途徑之一,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),將高分子與無機填料復合,有望得到兼有柔韌性和強硬度、綜合兩者生物活性的復合材料用于骨組織修復。但是膠原本身的力學性能和加工成型性能較差,而殼聚糖(Chitosan,CS)與膠原相比,分子中的重復單元具有六元環(huán)結構,力學性能相對更穩(wěn)定。本文在詳細分析骨的組成、結構以及力學性能基礎上,以骨的組成和結構為模型,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構的CS/HA復合骨修復材料,并對其微結構與性能之間的相關規(guī)律進行了初步研究。
　　 首先,在原位沉淀法的基礎上,利用乙酸鈣(Ca(H3COO)2)和磷酸(H3PO4)作為鈣源和磷源與CS分子同時沉析,在CS基質上原位生成HA,得到了具有層狀結構、HA均勻分布的CS/HA復合棒材。力學性能研究結果表明,隨著HA含量的增加,復合材料的彎曲強度、吸水率和膨脹率均降低,而相應模量有所升高;在m(CS)/

5、m(HA)為20/4時,復合棒材的彎曲模量達到最大(5.7 Gpa);FTIR和XRD研究結果證明,原位生成的無機晶體為HA;EDX分析結果顯示,無機成分在有機基質中為均勻分布,同時SEM-EDS研究結果表明,復合材料中Ca/P為1.55。棒材形成機理的研究結果發(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測試結果證明,復合材料具有類似于樹木年輪的系列同心圓層狀結構。
　　 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,將復合棒材于一定溫度條件下交聯(lián)一水解48 h;采用正交實驗方法考察了交聯(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合材料其彎曲強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電鏡結果顯示,HA為納米級,尺寸在20-100 nm;XRD分析結果顯示,水解后HA沿c軸取向生長。CS/HA復合材料體外降解實驗結果表明,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);且棒材質量損失較小,并且溶脹性能穩(wěn)定,6w的降解過程中復合材料力學性能相對穩(wěn)定。
　　 再次,本文對用原位沉淀法制備的CS/HA復合材料進行了體外細胞相容性和骨誘導的初步研究。研究結果表

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