羟基磷灰石复合材料的制备及性能表征

纳米羟基磷灰石复合材料是一种新型骨组织替代或修复材料。介绍了羟基磷灰石的特性、合成方法，总结了改性研究及应用，阐述了纳米羟基磷灰石复合材料生物相容性。

采用溶胶-凝胶法制备硅灰石-磷灰石(aw)纳米前驱体粉,并结合有机泡沫浸渍工艺、物理包被壳聚糖(cs)法制备aw/cs复合支架材料。以扫描电镜、抗压强度测试仪对支架材料的显微结构和力学性能进行表征,把兔骨髓基质干细胞(bmscs)与支架材料体外复合培养评价材料的细胞相容性,将细胞与支架材料一起构建体外组织工程骨植入兔的骨缺损处,用组织学的方法评价支架材料的生物相容性和成骨能力。结果表明:复合支架材料具有大孔/微孔结构、孔隙分布均匀和相互贯通的优点,大孔孔径在100～500μm,孔隙率为80%～90%,复合支架材料适宜骨髓基质干细胞(msc)黏附、增殖和分化,无细胞毒性。细胞复合材料的动物体内研究表明:mscs与aw/cs复合支架材料体外构建的新型组织工程骨具有较高的成骨能力和良好的骨缺损修复能力。

研究利用造孔剂法制备高度贯通的多孔羟基磷灰石(ha)支架,孔隙率约为78%,并利用聚己内酯(pcl)分别复合纳米ha(nha)或微纳米生物玻璃(nbg)粉末对其进行涂覆改性,粉末的添加量均为10%~40%(质量分数)。4种类型支架分别记为ha、pcl/ha、nha-pcl/ha和nbg-pcl/ha。实验结果发现,nha-pcl/ha和nbg-pcl/ha复合支架最大抗压强度分别为1.41~1.98mpa和1.35~1.78mpa。4类支架矿化实验显示,浸泡21d后nbg-pcl/ha表面促进生成较多的磷灰石矿化物;细胞实验结果显示细胞在4类支架上均生长良好,说明支架具有良好的生物相容性。支架在实验犬背部肌肉组织内植入2个月的组织学检测显示,4种支架内均有新骨形成,尤其是nha-pcl/ha和nbg-pcl/ha孔内有更多的新生骨组织,说明这两种支架表面复合涂层中的生物活性纳米颗粒对诱导新骨生成具有积极的促进作用。

通过优化的加工条件制备了羟基磷灰石/热致液晶高分子(ha/vectraa950)复合材料仿生人工骨,研究了ha含量对复合材料显微结构和力学性能的影响,分析了ha与vectraa950共混后的力学性能以及界面结合问题。研究结果表明:当ha与vectraa950的质量比小于10∶100时,复合材料呈现明显的皮芯结构,皮层液晶微纤高度取向,ha主要分散在芯部,其模量和强度达到或超过天然骨的力学性能;随着ha含量的增加,皮芯结构逐步减弱并消失,而缺陷显著增加。当ha与vectraa950的质量比增加到20∶100,复合材料的力学性能、尤其是韧性显著降低,这可能是由于ha颗粒与液晶基体之间的结合较差导致的。为保证复合材料仿生人工骨的生物活性,ha的含量应与天然骨接近。因此,需对ha和vectraa950的界面进行改性以提高其结合性能。

以ca(oh)2和h3po4为反应物,通过溶胶-凝胶法制备了羟基磷灰石(ha)粉体;用机械混合法制备了tih2包覆ha的粉体;用热压法制备了纯ha陶瓷材料及ha/ti复合材料.xrd相分析结果表明:通过溶胶-凝胶法制备的ha粉体,经过900℃煅烧2h后,粉体的主晶相为ha,有少量的cao;ha/tih2包覆粉末经1050℃热压后,复合材料中的主要相是ha和ti,同时出现了ca2p2o7和ca3(po4)2相.1050℃热压的ha/25%ti(体积分数)复合材料的断裂韧性为2.4mpa.m-1/2,抗弯强度为54mpa,均高于纯ha材料.显微组织的观察表明金属钛在材料中呈网状分布,网状分布的金属相能够通过裂纹桥接机制阻止ha基体中的裂纹的扩展.

采用硝酸钙-丝素蛋白溶液与磷酸钠反应仿生合成纳米羟基磷灰石/丝素蛋白(n-ha/sf)复合材料,并以nahco3和nacl为致孔剂制备了多孔复合支架材料,采用tem、ir、sem和edx对其进行了表征。结果表明,复合材料中ha的粒径在20~50nm之间,是一种co32-部分替代型弱结晶类骨针晶,在形貌和尺寸等方面类似于人体骨磷灰石晶体;ha和sf两相间存在强烈的键合作用,复合支架材料呈高度多孔结构,孔壁上富含微孔,孔隙间贯通性高。edx分析结果表明,ha在有机基体中分布均匀,钙磷元素比为1.66,当复合材料和致孔剂的比例为1∶0.5时,其抗压强度可达20.23mpa。

采用硝酸钙-丝素蛋白溶液与磷酸钠原位合成纳米羟基磷灰石(ha),在反应过程中丝蛋白(sf)诱导ha晶体生长,仿生合成ha/sf复合材料,用tem、ir、tga、xrd和sem进行表征。结果表明,ha为co23-部分替代型,粒径为10nm~40nm之间的弱结晶类骨晶体,在形貌和结晶度等方面与人体骨磷灰石相似。ha/sf复合材料中丝蛋白的含量约为25%,ha和sf两相存在强烈化学键合作用。sem观察结果表明,ha微粒被sf完全包裹,两者之间没有明显相分离。

羟基磷灰石(ha)是骨组织中无机物的主要成分。利用丝胶蛋白(ss)良好的生物相容性、生物降解性、细胞相容性,以及含有的羧基和羟基能与ca2+紧密结合的特点,将氢氧化钙和磷酸以湿法合成的羟基磷灰石按一定的比例加入到浓缩后的丝胶蛋白溶液中,经冷冻干燥制备成丝胶蛋白/羟基磷灰石复合支架材料,期望用于骨替代和骨缺损修复。对丝胶蛋白/羟基磷灰石复合支架材料进行扫描电镜(sem)、x射线衍射(xrd)、红外吸收光谱(ftir)、热力学性能以及力学性能等检测,并探讨不同原料配比对材料结构与性能的影响。结果表明,丝胶蛋白/羟基磷灰石复合支架材料的孔隙分散均匀,孔隙率33.0%～62.5%;支架材料中的ha呈弱结晶态,与人体骨组织中ha的晶体态相似,丝胶蛋白分子呈β折叠结构;随着复合支架材料中ha的比例不断增加,材料的热分解温度提高,热学性能改善,当ha的质量分数达到50%时,弹性模量增大到15.64mpa,呈现较好的结构性能。

以蚕丝丝素蛋白(sf)作为羟基磷灰石(ha)沉积的模板,制备ha/sf复合粉末,用扫描电镜(sem)、热重分析(tga)、x射线衍射(xrd)和傅立叶变换红外光谱(ft-ir)对复合粉末进行分析和鉴定。结果表明,合成产物是ha/sf复合物,其平均粒径约为275.7nm,其中丝素蛋白含量为17.8%(质量分数)。复合粉末经等静压成型后能够制得弯曲和压缩强度分别为19.87mpa和28.65mpa的ha/sf复合材料,以nacl为致孔剂能够制得平均孔径约为61μm、孔隙率为40%的多孔ha/sf复合材料。

再生丝素蛋白具有良好的生物相容性,羟基磷灰石同时还具有成骨诱导性。通过将再生丝素蛋白制备形成丝素蛋白多孔材料,并在37℃下将其浸渍于模拟体液中可以制备再生丝素蛋白/羟基磷灰石多孔复合材料。扫描电镜研究发现在再生丝素蛋白多孔材料的孔隙中羟基磷灰石由针状晶体聚集而成,红外光谱和xrd等表征表明复合材料中羟基磷灰石以羰基取代的羟基磷灰石存在。制备的再生丝素蛋白/羟基磷灰石多孔材料有望作为骨组织修复材料使用。

以熔融法制备可加工生物玻璃陶瓷的基础配方及分相机理为基础,采用溶胶-凝胶法分别制备了金云母和羟基磷灰石粉体,并由复合工艺制备了金云母/羟基磷灰复合材料。通过dta、xrd、sem等对粉体及材料进行了分析,结果表明:采用溶胶-凝胶法可制备出以钠金云母为主晶相的粉体,将该粉体与溶胶-凝胶法制备的羟基磷灰石粉体进行混合可制备出可加工性生物活性材料。

低温下,通过将水热合成的纳米羟基磷灰石浆料与中性胶原溶胶共混和在中性胶原中原位形成羟基磷灰石两种方法制备羟基磷灰石/胶原复合材料,采用xrd、ftir、扫描电镜、透射电镜和力学性能测试等方法对两种复合材料的特性进行了表征。通过对两种方法制备的复合材料的特性进行比较,发现两种方法均制备得到了纳米羟基磷灰石/胶原复合材料,复合材料在晶相组成、化学组成、纳米羟基磷灰石晶体尺寸、胶原纤维的结构等方面都与天然骨相似。但原位合成纳米羟基磷灰石晶体的结晶度比水热合成的纳米羟基磷灰石更接近于自然骨,原位合成的羟基磷灰石/胶原复合材料的均匀性、界面结合紧密度、力学性能等方面均优于共混法。原位合成法是改善纳米羟基磷灰石/胶原复合材料均匀性和力学性能的有效方法。

采用阳极氧化-电化学沉积方法在钛基材表面制备了牙种植材料tio2/ha复合涂层,并与在相同条件下制备的单一羟基磷灰石涂层进行了比较。采用sem、eds、ftir等技术对所得的涂层形貌和成分进行测试表征。结果表明,纯钛基材在5wt%hf电解液中,经过20v电压阳极氧化60min,形成了较为理想的tio2纳米管阵列结构,再经过电流密度为0.85ma/cm2的电化学沉积后,获得了孔隙率较好的针状羟基磷灰石涂层。

对比研究了纳米羟基磷灰石(n-ha)经硅烷偶联剂(kh-570)表面改性前后的性能变化,实验结果表明,n-ha经改性后,疏水性得到提高,其表面与kh-570发生了偶联作用(ft-ir);将改性的n-ha与天然胶乳复合制备复合乳胶膜,力学性能测定结果表明,复合乳胶膜的力学强度与未经处理的相比有一定提高;另外n-ha还能够有效的抑制复合乳胶膜中水溶性蛋白的析出,利用考马斯亮蓝法测定复合材料中的水溶性蛋白,随着n-ha的添加量的增加,复合乳胶膜中的水溶性蛋白被屏蔽,溶出量逐渐降低。

为了改善羟基磷灰石/胶原复合材料的性能,采用戊二醛对复合材料进行交联处理,分析了戊二醛交联对羟基磷灰石复合材料性能的影响。研究表明,用体积分数为0.25%的戊二醛溶液浸泡可以较好改善羟基磷灰石/胶原复合材料的力学性能和生物降解性能。

通过静电纺丝法制备出纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯复合超细纤维,利用扫描电镜、红外光谱仪、x射线衍射仪对纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯复合超细纤维形貌和结构进行表征,并进行了拉伸测试。结果表明,随着超细纤维中羟基磷灰石含量的增加,纤维的直径逐渐降低,纤维中聚己内酯的结晶逐渐变差。相比于丝素蛋白/聚己内酯超细纤维,含有质量比为30%羟基磷灰石的复合超细纤维仍具有较好的力学性能。体外小鼠成纤维细胞(l929)培养表明,纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯复合超细纤维对细胞没有毒性。

羟基磷灰石(hap)作为一种新型非贵金属型催化剂,具有强的吸附性和离子替换性,通过有机改性,金属、金属氧化物掺杂和负载其它复合催化剂,可以赋予其优异的催化活性和吸附性能而用于降解有机污染物和有害气体。本文综述了近年来改性羟基磷灰石在催化领域的最新研究进展,重点阐述了通过金属离子置换、hap包覆、hap负载其它催化剂、有机改性hap所构建的复合催化剂的性能及其在有毒气体清除和污染物净化处理中的应用,总结了研究中存在的问题和发展趋势。

以含ca2+和po34-的溶液为无机相,壳聚糖(chitosan,cs)溶液为高分子相,采用原位水化法制备羟基磷灰石(hydroxyapatite,hap)/cs复合多孔支架材料。xrd和ir的表征和分析表明水化24h后,复合支架中的钙磷盐从磷酸氢钙(dicalciumphosphatedehydrate,dcpd)转化为hap。sem和eds显示15μm左右的棒状hap颗粒均匀地分散在多孔支架的孔壁上,压缩强度的测试结果表明这种结构显著提高复合支架的力学性能。

了解丝素蛋白(silkfibroin,sf)表面修饰的羟基磷灰石(hydroxyapatite,ha)修复骨缺损过程中,实验动物血液流变学和骨缺损修复区血流量的变化。选择20只新西兰白兔,制作15mm长的桡骨节段性骨缺损模型,根据植入不同移植材料分为实验组和对照组,实验组于动物左侧桡骨缺损区植入mscs复合sf表面修饰的ha培养制备的组织工程骨,对照组植入mscs复合ha培养制备的组织工程骨,观察各组动物术后7、14d血液流变学和术后14d骨缺损修复区血流量的变化。实验组与对照组比较,血液流变学指标和骨缺损修复区血流量差异显著,实验动物全身血液粘度降低,骨缺损修复区的局部血流量增加。sf表面修饰对以ha为支架材料组织工程骨的修复作用有明显优化作用。

为了探讨丝素蛋白/羟基磷灰石(sf/ha)复合多孔支架材料的制备及其用于骨缺损的修复,采用超声波凝胶干燥法制备了sf/ha复合材料;以脱胶茧丝为增强材料,水溶性淀粉为制孔剂,通过去离子水萃取法除去淀粉,制备了sf/ha多孔复合材料。对其孔隙率及抗压强度进行测试,并将其植入兔股骨缺损处观察修复的情况。sf/ha多孔复合材料的孔隙率接近75%,孔径尺寸分布约从几微米到400μm,并且孔隙之间相互贯通,其抗压强度可达10mpa以上,植入兔股骨缺损处未见引起骨组织明显的炎症反应及骨坏死,术后12周发现基本修复骨缺损部位,而空白对照组没有骨生成。sf/ha多孔复合材料可以满足骨组织工程支架的基本要求,用于骨缺损的修复。

目的:初步评价牙体修复性纳米羟基磷灰石复合材料的生物相容性,为其临床应用的安全性提供实验室依据。方法:采用iso评价标准中的部分体内试验方法,通过不同途径进行动物急性毒性实验、热原实验、过敏实验、口腔黏膜刺激实验、皮肤刺激实验,根据相关标准评价该材料的生物相容性。结果:该新型材料对生物机体无致热性、无致敏性、无刺激性,无明显急性毒性。结论:牙体修复性纳米羟基磷灰石复合材料对机体组织无明显毒害作用,具有良好的生物相容性。

由纳米羟基磷灰石(ha)与丝素蛋白(sf)复合而成的新型生物复合材料,具有优良的生物相容性,已被研究用作骨移植及填充材料,但其由丝素蛋白分子内交联导致的较差的力学性能,限制了该复合材料的应用。本研究中,采用一种名为聚乙二醇二缩水甘油醚(pgde)的交联剂对复合材料中的丝素蛋白进行改性。该改性的复合材料经过一系列的检测,结果显示交联剂pgde可以提高丝素蛋白的结晶性,复合材料ha/sf的抗压强度提高了100%,且该交联剂并没有影响复合材料的生物相容性。