论文部分内容阅读
采用CaCl2和(NH4)2HPO4作为合成纳米羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)的初始材料，在有机大分子丝素蛋白(silk/fibroin,SF)调控下，合成了纳米HA/SF复合粉体。采用X-射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、差示量热扫描-热重(DSC-TG)、透射电子显微镜(TEM)研究分析了纳米HA/SF复合粉体的微观结构、形成过程以及影响其结构形貌的因素。在合成纳米HA/SF优质粉体基础之上，把粘度高、成型性好、体内降解快的天然多糖--壳聚糖(chiston,CS)和中国传统中药淫羊藿(Epimedium,EP)引入到HA/SF材料中，采用冷冻干燥技术制备了HA/SF-CS、HA/SF-CS-EP骨组织工程支架材料。研究了不同预冻温度、有机相浓度、组分配比等对HA/SF-CS-EP支架材料结构的影响，并进行了模拟体液(SBF)生物活性、细胞相容性和体内成骨性能实验研究。 结果表明：HA和SF间发生了强烈的化学作用，氢键、分子间作用力以及配位键存在于它们之间。二者紧密结合形成了形状均匀的针、棒状的复合粉体，复合颗粒的尺寸为长20～60nm，宽10～20nm。SF的存在使HA具有沿c轴择优生长的的取向，产生了类似于天然骨的结构。形成机理是HA通过静电引力和配位作用在SF分子的极性基团上形核。 体系的pH值和温度等条件对HA/SF粉体的形成和长大有较大影响。调节反应溶液的pH值为7.4，合成温度为20oC和40oC时，生成晶相除HA外还有少量的杂质，而85oC反应时，则生成纯的HA；pH为10时，此时体系能提供充足的OH-浓度，温度变化对粉体的形成没有明显影响，在三个温度下生成晶相均为纯HA。HA/SF复合粉体随温度的升高，晶粒长大，发育更加完整，结晶状态较好。 采用冷冻干燥方法制备的HA/SF-CS-EP支架材料气孔尺寸在100～400μm，气孔率为78％～91%，压缩强度在0.26～2.0MPa之间变化，气孔连通性良好，制备的材料不仅存在宏观大孔，而且在大孔壁上分布着微孔。不同预冷冻温度下，由于在热流方向上存在温度梯度的差异导致制备材料的孔径和形貌存在显著差异。随预冷冻温度的降低，气孔由多边形结构转变为柱状和线性排列，材料孔径变得更小，孔壁更薄更具叶片状。在不同的预冷冻温度下，随有机相浓度的增加，材料的气孔率降低，压缩强度升高；随HA含量的升高，孔壁增厚和变得更加粗糙。综合考虑气孔率、压缩强度、孔径大小之后，认为预冷冻温度-80oC、有机相浓度10%、HA含量70%的条件下，制备的材料用于骨组织工程是有利的。模拟体液(SBF)实验中，HA/SF基材料浸泡初期表面出现孔洞，呈现溶解的痕迹，随浸泡时间的延长，孔变大变深。同时伴随有颗粒状类骨磷灰石沉积物附着在材料表面，类骨磷灰石优先出现在孔洞、裂纹、表面粗糙处，随浸泡时间的延长，表面逐渐被类骨磷灰石层所覆盖。活性机理解释为：材料表面溶解释放Ca2+、PO43-到模拟体液中，使材料表面附近局域Ca2+、PO43-离子浓度升高，当钙磷离子浓度的溶度积达到形成类骨磷灰石的临界值时，类骨磷灰石于材料表面形核并长大，材料表面附近局域Ca2+、PO43-离子浓度是影响类骨磷灰石形成的关键因素。研究结果表明：HA/SF基材料不仅具有良好的生物活性，而且具有合适的降解速率，适合作为骨组织工程支架材料。 取胎鼠颅盖骨成骨细胞进行传代培养后，分别种植于HA/SF-CS-EP，HA/SF-CS，HA/CS三种材料上，于3天、6天、9天取材检测。四氮唑盐(MTT)细胞增殖、碱性磷酸酶(ALP)活性测定、扫描电镜(SEM)等结果显示：三种材料上的细胞活性HA/SF-CS-EP优于HA/SF-CS优于HA/CS。 HA/SF-CS-EP、HA/SF-CS材料在兔体内种植实验研究结果表明，HA/SF-CS-EP材料在体内逐渐降解，并被大量新生骨所取代，细胞游走于材料中，以材料为基质直接成骨，成骨速率明显快于HA/SF-CS组，具有优良的体内成骨活性。说明中药淫羊藿的引入加速了骨形成和骨的钙化，淫羊藿促进成骨细胞增殖分化是促进成骨的主要因素。综上所述：模仿天然骨结构和成分，并含有能促进细胞增殖分化功能的中药成分的HA/SF-CS-EP材料具有优异的生物性能，是一种很有发展前途的骨组织工程支架材料。