基于天然聚合物/磷灰石仿生矿化材料的骨支架研究

摘要

通过模拟骨的成分和结构，采用仿生矿化方法合成胶原/纳米羟基磷灰石(Col/nano-HA)材料，并以此为基础制备骨组织工程支架是近年来的研究热点。本文通过对仿生合成工艺条件的研究，得到了组装程度高、矿化结构好的胶原/纳米羟基磷灰石复合材料；并利用天然聚合物壳聚糖(Cs)良好的成型加工性和生物相容性，以其作为骨支架的基体材料，采用水凝胶冷冻相分离-萃取工艺制备了天然聚合物/羟基磷灰石复合多孔支架。通过林格溶液和模拟体液(SBF)体外浸泡实验，探讨了壳聚糖支架和壳聚糖-胶原/纳米羟基磷灰石复合支架的体外降解行为和生物活性。提出了电化学辅助沉积类骨磷灰石涂层改进聚合物支架生物活性的方法，并将之与交替浸泡沉积法进行了比较研究，最后采用正交试验对电化学辅助沉积工艺进行了优化。
　　 通过共混法与仿生法制备胶原/纳米羟基磷灰石复合材料的微观结构比较，证实仿生法合成的胶原/纳米羟基磷灰石材料具有与骨中矿化胶原纤维更加接近的多级组装结构。仿生工艺研究表明，搅拌会干扰胶原的凝胶化过程，进而对羟基磷灰石在胶原纤维内的矿化生长产生不利影响；陈化时间对产物中无机相向羟基磷灰石转变以及结晶程度有影响；反应盐溶液向胶原溶液的加入顺序对材料组装程度有影响；析出方法对矿物的结晶程度和纤维的组装程度均有影响；反应物配比对最终产物中矿物相的组成及含量有影响。综上，欲获到矿化和组装良好的胶原/纳米羟基磷灰石材料，仿生合成工艺条件应为，在非搅拌条件下，先向胶原溶液中滴加磷酸二氢钠，再滴加氯化钙，采用正向析出方式析出产物，陈化12h-36h。合成中反应物的配比应控制为：钙磷原子比在1．67-2之间，有机．无机反应物比在1：4-1：6之间，为提高羟基磷灰石的碳酸化程度，可添加适量碳酸盐。
　　 本研究中仿生合成机制为磷酸根先结合在胶原的氨基端，然后钙离子再结合到胶原的羧基端，在羟基磷灰石矿化形成的同时实现胶原首尾相接组装，而磷灰石则在胶原的空隙区生长，因此羟基磷灰石在矿化胶原纤维组装过程中起到桥接胶原分子的作用。
　　 纯壳聚糖支架孔隙率为96％，压缩强度和模量分别为O．055MPa和0．796MPa，支架内部孔隙高度连通，并具有径向梯度孔径尺寸和轴向管状孔隙结构，孔径范围从几十微米到几百微米。与壳聚糖支架相比，壳聚糖/羟基磷灰石支架孔隙率略有降低，但压缩强度增加明显，且随无机物含量增加而先增加再减小，压缩强度和模量最高可达0．429MPa和13．4MPa。壳聚糖/羟基磷灰石支架也具有梯度孔径和取向孔隙结构，但无机含量过高时，无上述孔结构特征。壳聚糖-胶原/纳米羟基磷灰石支架具有径向梯度孔径，而轴向孔隙的取向程度随无机物含量增加而提高。当支架中胶原/纳米羟基磷灰石的加入量少于30％时，孔隙率、压缩强度和模量与壳聚糖支架相差不大，但当加入量超过40％时，支架孔隙率下降较明显，压缩强度和模量也显著提高，最高分别可达0．5MPa和15MPa。根据分析可知，取向孔隙结构是支架获得较高力学性能的关键。
　　 林格溶液浸泡实验表明，支架具有良好的降解性能，降解过程受表面溶蚀和本体溶蚀共同作用，孔壁表面降解为分层解理机制。模拟体液浸泡实验证明，壳聚糖-胶原/纳米羟基磷灰石支架能快速诱导类骨磷灰石大量沉积，表现出非常优异的生物活性；而壳聚糖支架在模拟体液中形成球形磷灰石颗粒，且沉积量不大，这表明虽然壳聚糖支架具有一定的体外诱导磷灰石形成能力，但生物活性不佳。浸泡过程中溶液pH值的变化表明，支架降解不会引起环境pH值的显著变化。
　　 电化学辅助法在支架内、外部孔壁表面沉积的类骨磷灰石涂层均优于交替浸泡法，虽然电化学沉积的磷灰石总量一般低于交替浸泡法，但支架力学性能的提高与交替浸泡法相近。实验发现，类骨磷灰石沉积层的形成经历了沉积阶段、聚集阶段和生长阶段，即先沉积少量的纺锤状或针、棒状磷灰石颗粒，然后随沉积颗粒不断增多聚集成针簇结构，最后生长为片状花样多孔结构。磷灰石沉积分布分析认为，交替浸泡支架的磷灰石沉积量由外向内递减，而电化学辅助沉积是由端部向中部递减。正交试验结果表明，工艺因素影响沉积处理支架性能的主次顺序为沉积时间→溶液浓度→沉积电流。在正交条件范围内，支架压缩强度随沉积电流增加或溶液浓度增加而增加，随沉积时间延长而先增加再减少；孔壁表面沉积效果随电流增加先变差再变好；随沉积时间延长或溶液浓度增加而先变好再变差。所以，以提高支架力学性能为目时，工艺方案应为90mA电流，沉积8h，阳极区溶液为0．5mol/L硝酸钙和0．1mol/L醋酸钠混合溶液，阴极区溶液为0．1mol/L磷酸钠和0．2mol/L磷酸二氢钠混合溶液；以支架表面改性为目的时，工艺方案应为90mA电流，沉积8h，阳极区溶液为0．3mol/L，硝酸钙和O．1mol/L醋酸钠混合溶液，阴极区溶液为0．06 mol/L磷酸钠和O．12mol/L磷酸二氢钠混合溶液。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 仿生矿化

1.1.1 材料仿生

1.1.2 生物矿化

1.2 骨的组成与结构

1.2.1 骨的成分

1.2.2 骨的多级结构

1.2.3 骨的力学性能

1.3 骨修复材料的研究进展和方向

1.3.1 骨修复材料分类

1.3.2 骨组织工程支架材料

1.3.3 骨修复材料的研究方向

1.4 天然聚合物骨修复材料

1.4.1 胶原

1.4.2 壳聚糖

1.4.3 其它天然聚合物材料

1.5 磷酸钙类骨修复材料

1.5.1 羟基磷灰石

1.5.2 其它磷酸钙材料

1.6 天然聚合物/磷灰石仿生材料及支架的制备研究

1.6.1 胶原/纳米羟基磷灰石仿生合成机理

1.6.2 胶原/纳米羟基磷灰石材料仿生合成方法

1.6.3 天然聚合物/磷灰石支架的制备方法

1.6.4 天然聚合物材料表面沉积磷灰石涂层方法

1.7 论文工作的提出

第2章 实验方法

2.1 实验原料和设备

2.2 天然聚合物/磷灰石仿生矿化材料及支架的制备

2.2.1 胶原/纳米羟基磷灰石复合材料制备

2.2.2 天然聚合物/磷灰石三维多孔支架制备

2.3 聚合物支架仿生沉积类骨磷灰石涂层

2.3.1 钙、磷盐溶液交替浸泡沉积法

2.3.2 电化学辅助沉积法

2.4 材料表征和支架性能测试

2.4.1 X射线物相分析

2.4.2 微观形貌观察

2.4.3 傅立叶红外光谱分析

2.4.4 差热/热重分析

2.4.5 支架测试

2.5 体外浸泡实验

2.5.1 体外降解实验

2.5.2 模拟体液浸泡实验

第3章 胶原/纳米羟基磷灰石复合材料制备工艺研究

3.1 共混法制备胶原/纳米羟基磷灰石材料

3.1.1 组成分析

3.1.2 微观形貌

3.1.3 红外光谱

3.2 仿生合成中反应条件的影响

3.2.1 合成过程中搅拌的影响

3.2.2 陈化时间的影响

3.2.3 钙、磷溶液滴加顺序的影响

3.2.4 析出方法的影响

3.3 仿生合成中反应物配比的影响

3.3.1 钙、磷盐配比的影响

3.3.2 有机-无机反应物配比的影响

3.3.3 添加碳酸盐对反应的影响

3.4 仿生矿化合成胶原/纳米羟基磷灰石材料机制分析

3.5 本章小结

第4章 天然聚合物/磷灰石支架的微观组织结构和性能

4.1 壳聚糖/羟基磷灰石支架的微观组织结构和性能

4.1.1 Cs/HA支架的组成分析

4.1.2 Cs/HA支架的微观孔结构

4.1.3 Cs/HA支架的孔隙率和无机物含量

4.1.4 Cs/HA支架的力学性能

4.2 壳聚糖-胶原/羟基磷灰石支架的微观组织结构和性能

4.2.1 Cs-Col/HA支架的组成分析

4.2.2 Cs-Col/HA支架的微观结构

4.2.3 Cs-Col/HA支架的孔隙率和无机物含量

4.2.4 Cs-Col/HA支架的力学性能

4.3 壳聚糖-胶原/羟基磷灰石支架的复合工艺改进

4.3.1 支架复合工艺改进

4.3.2 支架的微观组织结构

4.3.3 支架的性能

4.4 壳聚糖基多孔支架的制备机理

4.5 支架孔隙结构与性能分析

4.5.1 支架孔隙结构的特点

4.5.2 支架压缩变形的特点

4.6 本章小结

第5章 支架体外生物学性能评价

5.1 浸泡过程中支架表面形貌的变化

5.1.1 林格溶液中支架的变化

5.1.2 模拟体液中支架的变化

5.2 支架的降解行为和生物活性研究

5.2.1 支架质量的变化

5.2.2 支架体积的变化

5.2.3 浸泡溶液pH值的变化

5.2.4 支架的降解行为分析

5.2.5 支架的生物活性评价

5.3 本章小结

第6章 天然聚合物支架沉积类骨磷灰石涂层研究

6.1 交替浸泡沉积与电化学辅助沉积比较

6.1.1 沉积前后支架的组成比较

6.1.2 沉积前后支架的表面形貌比较

6.1.3 沉积前后支架的性能比较

6.2 沉积反应机理分析

6.2.1 交替浸泡沉积机理

6.2.2 电化学辅助沉积反应原理

6.2.3 类骨磷灰石层的形成过程

6.2.4 磷灰石沉积量的分布分析

6.3 电化学辅助沉积工艺优化

6.3.1 正交试验设计

6.3.2 正交试验工艺优化分析

6.3.3 因素对各性能指标的影响

6.4 本章小结

第7章 结论

致谢

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间发表论文清单