羟基磷灰石
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羟基磷灰石/胶原蛋白复合生物材料 的制备与研究
化学化工学院 化学11-2班 冯波
随着社会的进步与人们生活水平的提高,人们的平均寿命不断延长, 但人体本身的老化却不可避免,世界人口老龄化问题日益突显。人体 的老化过30岁就开始了,人体的结缔组织,特别是保持人体直立姿势的 骨骼组织随之开始劣化，随着年龄的增长,由于骨组织的变化,其强度 逐渐降低,发生骨折的几率增大，此外,由于某种如外伤、感染、肿瘤、 事故或矫形手术等因素而使骨丧失了一些骨质,形成较大的间隙,称为 骨缺损，由于缺损间隙大,绝大多数骨缺损难以自行愈合,最后形成骨 不连。
(a)实验室自制的 HAP的IR光谱 (b)纳米HAp/cof蛋 白复合材料的IR谱 (c)胶原蛋自的lR 光谱
通过对复合物的红外光谱分析可知,HAP与胶原蛋白纤维间 发生了化学键合,羧基和羰基是HAP在胶原蛋白纤维上的 主要成核位点,在成核过程中,发生了与天然骨类似的碳酸 化过程。
由降解率曲线可以看出,在整个降解周期中,纳米HAP的溶解降解 率均高于微米HAP, 而纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合粉体的溶解降解 率远高于纯的HAP,这说明胶原蛋白的引入加速了材料的降解。到18 周时降解率最高仅为20.”%,这表明,尽管HAP粉体粒径的减小和胶原 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还是要通 过体内破骨细胞和吞噬细胞的吞噬消化来达到。
根据胶原蛋白含量不同制得的多孔羟基磷灰石/胶原蛋白支架材料的体外生物 溶解降解性曲线可以得出,随着胶原蛋白含量的增加,多孔支架材料的生物降解 性也相相应提高,这基本表明胶原蛋白的生物溶解降解性较羟基磷灰石高,因此, 可能通过调整羟基多孔支架材料中胶原蛋ຫໍສະໝຸດ Baidu的相对含量,从而达到调节多孔支架 材料的生物降解性的目的。
羟基磷灰石(hydroxyapatite简 称HAP)分子式是
cal0(PO4)6(OH)2，羟基磷灰
石(HydroxyaPatite,HAP)是人 体和动物骨骼、牙齿的主要无 机成分。 优点：具有良好的生物相容性、 生物活性、骨传导性。 缺点：粒状HAP缺乏可塑性,材 料植入后易发生颗粒移动,难以 达到理想操作和准确植入。降 解速率太慢,骨诱导性较差
纳米羟基磷灰石与胶原蛋白的复合 材料具有天然骨成分、结构和特性， 还有很好的流动性。 复合物粉体加入适量水(质量比 HAP/col:water=1:1.3)可制成青状体从 针管中注射出,有望用于人体微创手术。
由图3(a)可以看出,实验合成的纳米轻基磷灰石是针状或棒状的低 结晶度的晶体,平均尺寸为100nmx80nm~20nmx100nm。 复合材料中羟基磷灰石晶体也是低结晶度的,晶体形状为针状或棒 状。颗粒尺寸平均为5nmx60nm~20nmx100nm,与天然骨中的纳米 羟基磷灰石晶粒尺寸(5一20nmx60nm)相近。 单个胶原蛋白链的长度为300nm,宽度为20nm,由三束胶原蛋白纤 维缠绕而成,图中长链为2一3个胶原蛋白链形成的胶原蛋白簇,羟基磷 灰石颗粒镶嵌在胶原蛋白簇中。
羟基磷灰石和胶原蛋白复合多孔支架材料与人骨的结构和组 分非常相近,有很好的生物降解性和力学性能。胶原具有 较好的粘结性,可用来粘接或固定HAP颗粒,克服其单独使 用所引发的颗粒游走、移位、压迫神经等并发症。此 材 料能够代替自体或异体移植骨来使用。
通过XRD分析表明复合材料的无机相主要为羟基磷灰 石,结合XRD、扫描电镜分析结果表明复合材料中HAP的 粒度为5nm*6Onm~20nm*100nm结晶度低,呈纳米级针 状;胶原蛋白呈链状,2一3个胶原蛋白链相互交联成簇,HAP 均匀地沉积在胶原蛋白簇上。
胶原蛋白是蛋白质中的一种, 英文名(collagen protein),它主 要存在于动物的皮、骨、软骨、 牙齿、肌膜、韧带和血管中, 是结缔组织极重要的结构蛋白 质,起着支撑器官,保护机体的 功能。 优点：具有良好的生物学特性， 能与各种细胞结合以构成性能 各异的组织。 缺点：单独使用时则吸收快, 机械性能差。
物理发泡所得到的样品的孔径在800nm下,100nm~700nm 的孔所占的体积百分数为63.5%,占所有孔体积的74.3%。 这种具有梯度孔径且三维连通的孔结构使材料具有较大的 比表面积,有利于细胞在支架上的增殖和骨在支架上的传 导。
由图中(a)可以看出,样品的孔呈不规则形态,孔径不一,孔与孔之间相互连通。且在样品的 大孔壁上存在大量的小孔,从而进一步保证了陶瓷支架材料的三维连通性。这些通道的 存在有利于营养物质向支架内部运输。 由图(b)可以看出,样品的孔壁凹凸不平,有颗粒状突起,并有一些沟槽。 材料的表面形貌和 粗糙度是影响骨细胞黏附、生长和骨整合的关键因素,粗糙的表面因利于成骨细胞的黏 附从而促进骨生长;而表面上的沟槽和微织构则可调整成骨细胞的分化和增殖。
羟基磷灰石/胶原蛋白复合生物材料
以胶原蛋白与HAP复合则较好地利用了胶原蛋白的粘 结性而克服了HAP颗粒的流动性。 胶原蛋白和羟基磷灰石为主要原料,制成了羟基磷灰 石和胶原蛋白复合多孔支架材料,利用胶原蛋白的粘结性, 通过物理发泡,形成多孔的三维立体网状结构,这将有利于 成骨细胞在支架材料上的附着和繁殖。 另外,由于天然骨主要由纳米磷灰石晶体和胶原纤维 束组成的胞外基质,仿生角度出发,制备了仿天然骨成分、 结构和特性的微米(纳米)羟基磷灰石与胶原蛋白的复合材 料。微米(纳米)羟基磷灰石与胶原蛋白的复合材料克服了 两种材料单独使用的局性。
由图(a)可看出,胶原蛋白纤维呈絮团状均匀分布,构成 了复合材料的基本框架,HAP呈颗粒状镶嵌在胶原蛋白絮 团中。由图(b)中数据可知复合材料中HAP晶粒大小平均 为7Onm左右,且均匀沉积在胶原蛋白基质上并交联、团聚 成束形成多孔结构,从形貌上分析说明轻基磷灰石与胶原 蛋白形成了有机/无机间的复合。
化学化工学院 化学11-2班 冯波
随着社会的进步与人们生活水平的提高,人们的平均寿命不断延长, 但人体本身的老化却不可避免,世界人口老龄化问题日益突显。人体 的老化过30岁就开始了,人体的结缔组织,特别是保持人体直立姿势的 骨骼组织随之开始劣化，随着年龄的增长,由于骨组织的变化,其强度 逐渐降低,发生骨折的几率增大，此外,由于某种如外伤、感染、肿瘤、 事故或矫形手术等因素而使骨丧失了一些骨质,形成较大的间隙,称为 骨缺损，由于缺损间隙大,绝大多数骨缺损难以自行愈合,最后形成骨 不连。
(a)实验室自制的 HAP的IR光谱 (b)纳米HAp/cof蛋 白复合材料的IR谱 (c)胶原蛋自的lR 光谱
通过对复合物的红外光谱分析可知,HAP与胶原蛋白纤维间 发生了化学键合,羧基和羰基是HAP在胶原蛋白纤维上的 主要成核位点,在成核过程中,发生了与天然骨类似的碳酸 化过程。
由降解率曲线可以看出,在整个降解周期中,纳米HAP的溶解降解 率均高于微米HAP, 而纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合粉体的溶解降解 率远高于纯的HAP,这说明胶原蛋白的引入加速了材料的降解。到18 周时降解率最高仅为20.”%,这表明,尽管HAP粉体粒径的减小和胶原 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还是要通 过体内破骨细胞和吞噬细胞的吞噬消化来达到。
根据胶原蛋白含量不同制得的多孔羟基磷灰石/胶原蛋白支架材料的体外生物 溶解降解性曲线可以得出,随着胶原蛋白含量的增加,多孔支架材料的生物降解 性也相相应提高,这基本表明胶原蛋白的生物溶解降解性较羟基磷灰石高,因此, 可能通过调整羟基多孔支架材料中胶原蛋ຫໍສະໝຸດ Baidu的相对含量,从而达到调节多孔支架 材料的生物降解性的目的。
羟基磷灰石(hydroxyapatite简 称HAP)分子式是
cal0(PO4)6(OH)2，羟基磷灰
石(HydroxyaPatite,HAP)是人 体和动物骨骼、牙齿的主要无 机成分。 优点：具有良好的生物相容性、 生物活性、骨传导性。 缺点：粒状HAP缺乏可塑性,材 料植入后易发生颗粒移动,难以 达到理想操作和准确植入。降 解速率太慢,骨诱导性较差
纳米羟基磷灰石与胶原蛋白的复合 材料具有天然骨成分、结构和特性， 还有很好的流动性。 复合物粉体加入适量水(质量比 HAP/col:water=1:1.3)可制成青状体从 针管中注射出,有望用于人体微创手术。
由图3(a)可以看出,实验合成的纳米轻基磷灰石是针状或棒状的低 结晶度的晶体,平均尺寸为100nmx80nm~20nmx100nm。 复合材料中羟基磷灰石晶体也是低结晶度的,晶体形状为针状或棒 状。颗粒尺寸平均为5nmx60nm~20nmx100nm,与天然骨中的纳米 羟基磷灰石晶粒尺寸(5一20nmx60nm)相近。 单个胶原蛋白链的长度为300nm,宽度为20nm,由三束胶原蛋白纤 维缠绕而成,图中长链为2一3个胶原蛋白链形成的胶原蛋白簇,羟基磷 灰石颗粒镶嵌在胶原蛋白簇中。
羟基磷灰石和胶原蛋白复合多孔支架材料与人骨的结构和组 分非常相近,有很好的生物降解性和力学性能。胶原具有 较好的粘结性,可用来粘接或固定HAP颗粒,克服其单独使 用所引发的颗粒游走、移位、压迫神经等并发症。此 材 料能够代替自体或异体移植骨来使用。
通过XRD分析表明复合材料的无机相主要为羟基磷灰 石,结合XRD、扫描电镜分析结果表明复合材料中HAP的 粒度为5nm*6Onm~20nm*100nm结晶度低,呈纳米级针 状;胶原蛋白呈链状,2一3个胶原蛋白链相互交联成簇,HAP 均匀地沉积在胶原蛋白簇上。
胶原蛋白是蛋白质中的一种, 英文名(collagen protein),它主 要存在于动物的皮、骨、软骨、 牙齿、肌膜、韧带和血管中, 是结缔组织极重要的结构蛋白 质,起着支撑器官,保护机体的 功能。 优点：具有良好的生物学特性， 能与各种细胞结合以构成性能 各异的组织。 缺点：单独使用时则吸收快, 机械性能差。
物理发泡所得到的样品的孔径在800nm下,100nm~700nm 的孔所占的体积百分数为63.5%,占所有孔体积的74.3%。 这种具有梯度孔径且三维连通的孔结构使材料具有较大的 比表面积,有利于细胞在支架上的增殖和骨在支架上的传 导。
由图中(a)可以看出,样品的孔呈不规则形态,孔径不一,孔与孔之间相互连通。且在样品的 大孔壁上存在大量的小孔,从而进一步保证了陶瓷支架材料的三维连通性。这些通道的 存在有利于营养物质向支架内部运输。 由图(b)可以看出,样品的孔壁凹凸不平,有颗粒状突起,并有一些沟槽。 材料的表面形貌和 粗糙度是影响骨细胞黏附、生长和骨整合的关键因素,粗糙的表面因利于成骨细胞的黏 附从而促进骨生长;而表面上的沟槽和微织构则可调整成骨细胞的分化和增殖。
羟基磷灰石/胶原蛋白复合生物材料
以胶原蛋白与HAP复合则较好地利用了胶原蛋白的粘 结性而克服了HAP颗粒的流动性。 胶原蛋白和羟基磷灰石为主要原料,制成了羟基磷灰 石和胶原蛋白复合多孔支架材料,利用胶原蛋白的粘结性, 通过物理发泡,形成多孔的三维立体网状结构,这将有利于 成骨细胞在支架材料上的附着和繁殖。 另外,由于天然骨主要由纳米磷灰石晶体和胶原纤维 束组成的胞外基质,仿生角度出发,制备了仿天然骨成分、 结构和特性的微米(纳米)羟基磷灰石与胶原蛋白的复合材 料。微米(纳米)羟基磷灰石与胶原蛋白的复合材料克服了 两种材料单独使用的局性。
由图(a)可看出,胶原蛋白纤维呈絮团状均匀分布,构成 了复合材料的基本框架,HAP呈颗粒状镶嵌在胶原蛋白絮 团中。由图(b)中数据可知复合材料中HAP晶粒大小平均 为7Onm左右,且均匀沉积在胶原蛋白基质上并交联、团聚 成束形成多孔结构,从形貌上分析说明轻基磷灰石与胶原 蛋白形成了有机/无机间的复合。