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羥基磷灰石 膠原蛋白復(fù)合生物材料的制備與研究 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)11 2班馮波 隨著社會的進(jìn)步與人們生活水平的提高 人們的平均壽命不斷延長 但人體本身的老化卻不可避免 世界人口老齡化問題日益突顯 人體的老化過30歲就開始了 人體的結(jié)締組織 特別是保持人體直立姿勢的骨骼組織隨之開始劣化 隨著年齡的增長 由于骨組織的變化 其強(qiáng)度逐漸降低 發(fā)生骨折的幾率增大 此外 由于某種如外傷 感染 腫瘤 事故或矯形手術(shù)等因素而使骨喪失了一些骨質(zhì) 形成較大的間隙 稱為骨缺損 由于缺損間隙大 絕大多數(shù)骨缺損難以自行愈合 最后形成骨不連 Page 2 羥基磷灰石 hydroxyapatite簡稱HAP 分子式是cal0 PO4 6 OH 2 羥基磷灰石 HydroxyaPatite HAP 是人體和動物骨骼 牙齒的主要無機(jī)成分 優(yōu)點(diǎn) 具有良好的生物相容性 生物活性 骨傳導(dǎo)性 缺點(diǎn) 粒狀HAP缺乏可塑性 材料植入后易發(fā)生顆粒移動 難以達(dá)到理想操作和準(zhǔn)確植入 降解速率太慢 骨誘導(dǎo)性較差 膠原蛋白是蛋白質(zhì)中的一種 英文名 collagenprotein 它主要存在于動物的皮 骨 軟骨 牙齒 肌膜 韌帶和血管中 是結(jié)締組織極重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì) 起著支撐器官 保護(hù)機(jī)體的功能 優(yōu)點(diǎn) 具有良好的生物學(xué)特性 能與各種細(xì)胞結(jié)合以構(gòu)成性能各異的組織 缺點(diǎn) 單獨(dú)使用時(shí)則吸收快 機(jī)械性能差 Page 3 羥基磷灰石 膠原蛋白復(fù)合生物材料 以膠原蛋白與HAP復(fù)合則較好地利用了膠原蛋白的粘結(jié)性而克服了HAP顆粒的流動性 膠原蛋白和羥基磷灰石為主要原料 制成了羥基磷灰石和膠原蛋白復(fù)合多孔支架材料 利用膠原蛋白的粘結(jié)性 通過物理發(fā)泡 形成多孔的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 這將有利于成骨細(xì)胞在支架材料上的附著和繁殖 另外 由于天然骨主要由納米磷灰石晶體和膠原纖維束組成的胞外基質(zhì) 仿生角度出發(fā) 制備了仿天然骨成分 結(jié)構(gòu)和特性的微米 納米 羥基磷灰石與膠原蛋白的復(fù)合材料 微米 納米 羥基磷灰石與膠原蛋白的復(fù)合材料克服了兩種材料單獨(dú)使用的局性 Page 4 Page 5 物理發(fā)泡所得到的樣品的孔徑在800nm下 100nm 700nm的孔所占的體積百分?jǐn)?shù)為63 5 占所有孔體積的74 3 這種具有梯度孔徑且三維連通的孔結(jié)構(gòu)使材料具有較大的比表面積 有利于細(xì)胞在支架上的增殖和骨在支架上的傳導(dǎo) Page 6 由圖中 a 可以看出 樣品的孔呈不規(guī)則形態(tài) 孔徑不一 孔與孔之間相互連通 且在樣品的大孔壁上存在大量的小孔 從而進(jìn)一步保證了陶瓷支架材料的三維連通性 這些通道的存在有利于營養(yǎng)物質(zhì)向支架內(nèi)部運(yùn)輸 由圖 b 可以看出 樣品的孔壁凹凸不平 有顆粒狀突起 并有一些溝槽 材料的表面形貌和粗糙度是影響骨細(xì)胞黏附 生長和骨整合的關(guān)鍵因素 粗糙的表面因利于成骨細(xì)胞的黏附從而促進(jìn)骨生長 而表面上的溝槽和微織構(gòu)則可調(diào)整成骨細(xì)胞的分化和增殖 Page 7 根據(jù)膠原蛋白含量不同制得的多孔羥基磷灰石 膠原蛋白支架材料的體外生物溶解降解性曲線可以得出 隨著膠原蛋白含量的增加 多孔支架材料的生物降解性也相相應(yīng)提高 這基本表明膠原蛋白的生物溶解降解性較羥基磷灰石高 因此 可能通過調(diào)整羥基多孔支架材料中膠原蛋白的相對含量 從而達(dá)到調(diào)節(jié)多孔支架材料的生物降解性的目的 Page 8 羥基磷灰石和膠原蛋白復(fù)合多孔支架材料與人骨的結(jié)構(gòu)和組分非常相近 有很好的生物降解性和力學(xué)性能 膠原具有較好的粘結(jié)性 可用來粘接或固定HAP顆粒 克服其單獨(dú)使用所引發(fā)的顆粒游走 移位 壓迫神經(jīng)等并發(fā)癥 此材料能夠代替自體或異體移植骨來使用 Page 9 Page 10 通過XRD分析表明復(fù)合材料的無機(jī)相主要為羥基磷灰石 結(jié)合XRD 掃描電鏡分析結(jié)果表明復(fù)合材料中HAP的粒度為5nm 6Onm 20nm 100nm結(jié)晶度低 呈納米級針狀 膠原蛋白呈鏈狀 2一3個(gè)膠原蛋白鏈相互交聯(lián)成簇 HAP均勻地沉積在膠原蛋白簇上 Page 11 由圖 a 可看出 膠原蛋白纖維呈絮團(tuán)狀均勻分布 構(gòu)成了復(fù)合材料的基本框架 HAP呈顆粒狀鑲嵌在膠原蛋白絮團(tuán)中 由圖 b 中數(shù)據(jù)可知復(fù)合材料中HAP晶粒大小平均為7Onm左右 且均勻沉積在膠原蛋白基質(zhì)上并交聯(lián) 團(tuán)聚成束形成多孔結(jié)構(gòu) 從形貌上分析說明輕基磷灰石與膠原蛋白形成了有機(jī) 無機(jī)間的復(fù)合 Page 12 由圖3 a 可以看出 實(shí)驗(yàn)合成的納米輕基磷灰石是針狀或棒狀的低結(jié)晶度的晶體 平均尺寸為100nmx80nm 20nmx100nm 復(fù)合材料中羥基磷灰石晶體也是低結(jié)晶度的 晶體形狀為針狀或棒狀 顆粒尺寸平均為5nmx60nm 20nmx100nm 與天然骨中的納米羥基磷灰石晶粒尺寸 5一20nmx60nm 相近 單個(gè)膠原蛋白鏈的長度為300nm 寬度為20nm 由三束膠原蛋白纖維纏繞而成 圖中長鏈為2一3個(gè)膠原蛋白鏈形成的膠原蛋白簇 羥基磷灰石顆粒鑲嵌在膠原蛋白簇中 Page 13 a 實(shí)驗(yàn)室自制的HAP的IR光譜 b 納米HAp cof蛋白復(fù)合材料的IR譜 c 膠原蛋自的lR光譜 通過對復(fù)合物的紅外光譜分析可知 HAP與膠原蛋白纖維間發(fā)生了化學(xué)鍵合 羧基和羰基是HAP在膠原蛋白纖維上的主要成核位點(diǎn) 在成核過程中 發(fā)生了與天然骨類似的碳酸化過程 Page 14 由降解率曲線可以看出 在整個(gè)降解周期中 納米HAP的溶解降解率均高于微米HAP 而納米羥基磷灰石 膠原蛋白復(fù)合粉體的溶解降解率遠(yuǎn)高于純的HAP 這說明膠原蛋白的引入加速了材料的降解 到18周時(shí)降解率最高僅為20 這表明 盡管HAP粉體粒徑的減小和膠原蛋白的引入 加速了材料的溶解降解 但主要的生物降解可能還是要通過體內(nèi)破骨細(xì)胞和吞噬細(xì)胞的吞噬消化來達(dá)到 Page 15 納米羥