羟基磷灰石在生物医用材料中的研究进展

《生物医用材料》期末论文学院：材料与化工学院专业：材料科学与工程学生姓名：学号：任课教师：唐敏2010年6月20日羟基磷灰石在生物医用材料中的研究进展材料与化工学院 07材料科学与工程卢仁喜摘要:羟基磷灰右是一种优质的医用生物材料，在生物医用材料和医学研究领域有着广泛的应用和研究。

本文在综合了一些文献的基础上，对羟基磷灰石在生物医用材料的研究上做了总结和概括，并且提出了一些自己的看法。

关键字：羟基磷灰石生物医用材料进展1.引言生物材料(biomaterials)是对生物体进行治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。

随着材料科学、生命科学与生物技术的发展，越来越多的生物材料得到广泛应用，人们开始在分子水平上去认识材料和机体问的相互作用，力求使无生命的材料通过参与生命组织的活动，成为有生命组织的一部分。

其中金属材料、生物陶瓷材料、高分子材料、聚合物及其复合材料是应用最广泛的生物材料。

近年来，常用的骨骼替代品是金属、塑料以及陶瓷等，其中以钛和钛合金为主。

但是由于它们的惰性，它们不能很好的与生物体本身产生相容性，作为硬组织植入材料，它们与骨之间只是一种机械嵌连的骨整合，而非化学骨性结合，致使植入后与骨组织之间结合较差，常引起植入失效。

同时金属的耐磨性和耐腐蚀性较差，腐蚀产牛的离子会对人体组织产生不良影响。

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)生物陶瓷材料具有优良的生物活性和生物相容性，被认为是一种最具潜力的人体硬组织替换材料。

但是HA的力学性能较差，抗弯强度和断裂韧性指标均低于人体致密骨，限制了它们单独在人体负重部位的使用。

但是由于它本身的特点，以及自然界再也找不出与它具有类似生物相容性的陶瓷材料，同时他又可以同多种材料进行复合来改变它在某一方面的劣势。

所以，近年来羟基磷灰石及其复合物的研究受到广泛关注。

2.羟基磷灰石及特点羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)是一种微溶于水的弱碱性磷酸钙盐，它是脊椎动物骨和齿的主要无机成分，在人骨中约占72％，齿骨中则高达97％，其生物相容性及活性良好，对人体无毒副作用，可增强骨愈合作用，能与自然骨产生化学结合，被认为是最有前途的人工齿及人工骨的替代材料。

目前有关羟基磷灰石的研究已经取得了很大的进展，人工合成HA的方法主要有沉淀法、水热反应法和溶胶一凝胶法。

然而，羟基磷灰石的烧结性能差，力学性能特别是冲击韧性不足以作为骨替代的理想材料，因此必须通过与其它材料复合来提高有关性能，使之得以在临床上推广应用。

所以，基于羟基磷灰石在力学上的性质，它在生物医用材料上一般是以复合材料的应用来实现的。

目前，羟基磷灰石聚合物材料研究的比较多，有羟基磷灰石／聚乳酸复合支架材料、羟基磷灰石／聚乙烯醇复合材料忙、纳米羟基磷灰石／聚酰胺66复合材料等。

3.羟基磷灰石材料研究进展3.1 钛合金表面涂覆HA生物陶瓷涂层研究进展由于现代医学和材料制备技术的飞速发展，人造骨骼等医用材料的市场不断扩大。

由于医用材料应用环境的特殊性，对生物医用材料的生物活性、材料力学性能等都有比较苛刻的要求。

钛合金因为具有良好的力学性能和加工性能而被广泛应用于人体硬组织修复或植入材料，但是因为钛合金的生物相相容性差，假如直接单一的用它来替代骨骼的话，可能人体会产生排斥反应，同时由于钛合金的腐蚀也会对人体进行伤害。

为了克服这个难点，科学家们利用材料表面处理技术将羟基磷灰石生物陶瓷材料涂覆杠钛合金等金属基体的表面，形成羟基磷灰石生物陶瓷涂层材料。

HA生物陶瓷涂层可以充分发挥生物陶瓷材料和钛合金材料各自的优势，克服各自的缺点，较好满足临床应用的需要。

结合强度是限制生物陶瓷涂层材料应用的最大障碍之一。

钛合金表面涂覆单一HA生物陶瓷涂层材料的结合强度一般不高，利用等离子喷涂方法获得的HA／钛合金材料的结合强度约为12．9 MPa左右。

结合强度低下的根本原因是由于HA的线胀系数(一15×10K-1)与钛合金基体的线胀系数(～8．8×10K-1)相差较大，热膨胀系数失配导致涂层与基体界面存在较大的残余热应力J。

因此，解决结合强度问题的关键在于缩小涂层和基体材料的热膨胀系数差，减少残余应力。

金属基质(metal substrate)与羟基磷灰石牢固结合是涂层假体成功的关键，制备过程相当复杂。

涂层的结晶度是影响HA最终性能的另一个关键因素，结晶度低，则HA在体液中溶解过快，涂层的长期有效性受到严重影响．短期内造成失效，从而无法满足临床应用的需要。

影响结晶度最关键的因素是不同的制备方法和及其采用的工艺参数。

所有的羟基磷灰石涂层都不相同。

尽管羟基磷灰石涂层的制备有许多技术方法，但采用最广泛的是等离子喷涂技术。

有些新技术的采用，如低压等离子喷涂、生物梯度涂层(biogradient coating)，可以增加金属与涂层的结合强度和抗分解能力。

在钛合金表面制备HA生物涂层材料，是一种应用前景广阔，经济效益巨大的新型生物材料，随着新技术、新工艺、新方法和新材料的不断涌现，HA／钛合金复合材料的结合强度、结晶度、生物活性、长期有效性等都会得到不断的提高和发展、生产的成本不断降低，在医用生物材料领域的应用也会不断扩大。

3.2纳米羟基磷灰石在生物医学上研究进展纳米HA是一种性能优良的无机陶瓷材料、同时具有独特的生物学活性。

纳米HA粒子的大小为1～100nm，由于其尺寸小，与普通的HA相比具有溶解度较高、比表面积(SSA)大、表面能较大的优点，因而具有更好生物学活性拉，骨植入体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度更高，疲劳抗力也相应提高。

由纳米HA构成人工骨可以根据不同部位骨生长的需要制成不同的硬度，具有与骨生长相匹配的降解速率，且具有和天然骨类似的多孔结构，与人体不会产生排异反应。

它与原有传统骨材料的最大区别在于修复后的骨和人体骨完全一样，不会在体内留下植人物。

有研究者发现纳米HA本身还具有一定的生物学效应和抑癌作用，也有作为药物载体用于疾病治疗的报道。

HA粒子有良好的组织相容性、无毒、无免疫原性，比表面积大，生物粘附性强且能结合和传递大分子药物，吸附药物量大，具备了药物载体的基本要求。

羟基磷灰石作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透过性，有利于药物透皮吸收并发挥在细胞内的药效。

纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全，因为其与人或动物的骨骼、牙齿成分相同，且不为胃肠液所溶解，在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出．此外，纳米羟基磷灰石在生成过程中很方便引入放射性元素，可用于癌细胞的灭活冲。

HA纳米粒子直接抗肝癌细胞主要体现在提高细胞内的钙离子含量，因Ca2+对细胞有极重要的生理功能，调节着许多的生理活动，可作为细胞的第二信使而发挥作用，如果细胞钙平衡失调将导致细胞功能紊乱。

Ca2+可激活细胞内Ca2+/Mg+依赖性核酸内切酶，使DNA发生降解并导致凋亡，细胞形态学表现出特征性变化：细胞体积缩小，胞膜皱缩，核固缩，核质沿核膜浓缩边集，形成数个团块或境界分明的新月形小体，有的细胞核碎裂，形成由膜状物包裹内容物的凋亡小体，这一结果证明HA纳米粒子可诱导人肝癌细胞凋亡。

3.3羟基磷灰石其他复合材料的研究进展3.3.1羟基磷灰石／壳聚糖复合材料壳聚糖(chjtosan，简称CS)是一种天然的生物可降解多糖，其降解产物为氨基葡萄糖，对人体及组织无毒、无害。

它对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进作用，是一种较理想的天然可降解的阳离子多糖。

壳聚糖可由甲壳类动物的壳中提取的甲壳素脱乙酰化而得，也可用蛆皮和蛹壳以及黑曲霉纤维素酶等来制备。

壳聚糖具有天然的药物活性、抗肿瘤活性、消炎作用，能加快创伤愈合，作为细胞、生长因子载体和支架材料已被用于皮肤、神经、骨和软骨以及肝脏组织工程中ll引，还成功地用作手术缝合线、伤口敷料、药物缓释剂、缺损填充物及组织工程支架。

虽然壳聚糖的研究取得了很大进展，但由于壳聚糖缺乏骨键合生物活性，单独使用时的力学性能不够理想，缺乏弹性和柔韧性，从而限制了在骨组织工程中的应用。

为了弥补这方面的不足，许多学者将羟基磷灰石、壳聚糖两种材料复合，所得到的复合材料不仅具有二者的优点，而且两相之间的协同作用赋予复合体优异的力学性能，可以适用于人体的生理负载环境，从而为开发出新型实用的骨组织修复和替代材料带来了新的希望。

在材料的性能方面，羟基磷灰石/壳聚糖复合材料与人体骨骼性能一样，从而避免了材料因弹性模量较骨高时造成骨质吸收，弹性模量过低又不能起到刺激骨生长的作用。

同时该复合材料也继承了羟基磷灰石良好的生物相容性，避免了植入生物体内产生的排斥效应。

更为重要的是该复合材料完全无毒，能很好的做为骨组织观察的替代材料。

3.3.2 羟基磷灰石/聚乙烯复合材料聚乙烯(polyethlene)，简称PE，是一种乳白色半透明的固体，它是一种生物惰性材料，其耐寒性、耐水性、耐药品性、耐化学性良好。

有学者将纳米羟基磷灰石与聚乙烯、聚砜合成HA一多聚体复合物，通过对HA与这两种多聚体聚合形成的新化合物的两轴疲劳试验测试，结果表明该化合物有良好的临床应用价值。

李冬梅等在羟基磷灰石／超高分子聚乙烯(hydroxyapatite／ultra—high molecularweight polyethtlene，HA／UHMWPE)复合材料的组织相容性及骨传导性实验研究中将复合材料置入兔的眶骨缺损中，实验结果表明复合材料既具有HA的良好生物性能和骨传导性，又保留有超高分子聚乙烯的可塑性。

在材料置人的8周后，于材料边缘可见骨细胞及钙盐呈板状骨样沉着，说明HA／UHMWPE材料可与骨组织形成直接的、牢固的骨性结合。

也有研究者将羟基磷灰石／聚乙烯复合物植入11例患者中耳，2～30个月后分别将11例中耳假体取出于光镜、透射电镜和扫描电镜下进行研究，结果证实该复合物植人体生物相容性好，非常适用于中耳重建术。

5.结语生物材料是一类特殊的功能材料，利用它可以对有机体进行修复、替代与再生。

生物医学材料研究的最终目的是用其能够替代或修复人体器官和组织，并实现其生理功能。

而羟基磷灰石因其良好的生物相容性，在生物医用材料中受到着普遍关注。

由于其自身的性质，在很多应用方面只有通过与其他材料复合来达到所需要的性能。

总之，随着材料科学、生命科学和医学的发展，羟基磷灰石及其复合材料的研究已经取得了较大的进展。

但仍然存在很多问题，如目前羟基磷灰石，聚合物复合材料的研究，基本上只是HA颗粒与聚合物的机械混合，材料的性能优化也往往只限于聚合物的结晶化，复合材料两相间缺乏化学键的结合，界面结合力不够牢固，也没有形成有序的微观结构，无机微粒在聚合物相中的分散程度还不是太理想，材料的降解速率也还不能很好地控制等。

总的来说，羟基磷灰石及其复合材料在诸多方面所具有的功能优势，预示着它在生物医用材料研究领域中的巨大潜力，必将引起更多的关注、研究和更广泛的应用前景。