HA／PLA复合材料界面相互作用及其力学性能的MD模拟

１ 引 言
自体骨 是 目前 骨 修 复 最佳 的替 代 材 料 ， 但 是 自体 骨 来 源有 限 ， 且 会造 成供 区 的病变 ， 于 是 骨修 复 材料 成 为 研 究 的热 点 ， 目前 已有 许 多 报 道 甚 至 临床 使 用 ， 其 中， Ｐ Ｌ Ａ和 ＨＡ 都 是 最 常 用 的 骨 修 复 材 料 。聚 乳 酸 （ Ｐ Ｌ Ａ） 是 一种 新 型 的生 物 降解 材 料 ， 其 具 有 良好 的生 物 相容 性 和非 常高 的力 学性 能 ， 目前 ， 已 被用 来替 代 不
的 氢键 以及 Ｏ 一 Ｃａ之 间 形 成 了 离 子 键 ； ＰＬ Ａ 组 分 能
够 对 ＨＡ 的 力 学 性 能 起 到 明 显 的加 强 作 用 ， 且 ＨＡ／
Ｐ Ｌ Ａ 混合 体 系在 各 个 方 向 的 力 学 性 能 较 单 组 分 ＨＡ
更 为接近 ， 从 而 克 服 了 因材 料 各 向异 性 而 导 致 的 缺 陷 。
（ １ ０ ０ ） 、 （ １ １ ０ ） 分 别与 聚 乳 酸 （ Ｐ Ｌ Ａ） 相 互 作 用 后 混 合 体
（ ０Ｈ） Ｅ ５ ３ 。羟基 磷灰 石 陶瓷具有 良好 的 生物 活性 和 骨
传 导性 ， 能够 与骨 直 接 形 成 键性 结 合 ， 植 入 体 内后 ， 钙 和磷 会游 离 出材 料 表 面 被 身体 组 织 吸 收 ， 并 生 长 出 新 的组 织 ， 目前 已被 大量 地 应 用 于 骨替 换植 入材 料 。但 其 机械性 能不 佳 ， 易脆 ， 对负荷承载性差， 不 能 完 全 适 宜 于骨组 织 工程 的要 求 ＿ ６ ］ ， 即不 适 合 单 独 作 为 骨 折 内 固定 材料 使 用 ， 限制 了 羟 基 磷 灰 石 的 应 用 发 展＿ ７ ］ ， 可 见， 单一 的 Ｐ Ｌ Ａ 和单一 的 ＨＡ都 不是 骨替 换 的理想 物 质， 而研 制多 孔 ＨＡ ／ Ｐ Ｌ Ａ 复 合 材 料 一 方 面 可 提 高 材 料韧 性 ， 满 足 骨替换 植入 材料 的机 械强 度要 求 ； 另 一方 面 聚乳酸 的酸性 降解 产 物 可被 ＨＡ 缓 冲 ， 同时 ＨＡ 的 骨诱 导性 可提 供 良好 的骨 细 胞 粘 附 生 长环 境 ， 复合 物 的多 孔结 构则 为 细胞 生 长 、 组 织 再 生 及 血 管化 提供 条 件Ⅲ ８ ］ ， 符合 骨组 织工 程 的生物 学要 求 ］ ， 有 望成 为 骨组 织工 程 中理想 的支架 材 料 。因此 ， 近年 来 ＨＡ／ Ｐ Ｌ Ａ 复 合生 物 材 料 作 为 人 工 骨 修 复 材 料 得 到 了 广 泛 的 研
魏 庆 华 ， 汪 焰 恩 ， 杨 明 明 ， 魏 生 民
（ １ ． 西北 工业 大学 机 电学 院 ， 陕西 西 安 ７ １ ０ ０ ７ ２
２ ． 西 北工 业大 学 现代 设计 与集 成 制造技 术 教育部 重 点实验 室 ， 陕西 西 安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
摘 要 ： 基 于 ＨＡ／ Ｐ Ｌ Ａ 复 合材料 可以在很 大程度 上 实现 ＨＡ 与 Ｐ Ｌ Ａ 两者的优 势互补 ， 有 望成 为一 种理 想 的 骨替换 材 料 。运 用分子 动 力学 （ ＭＤ） 方法， 从 分子 理 论 的 角度 研 究 了羟基 磷 灰 石 （ ＨＡ） 的 ３个 晶 面 （ ０ ０ １ ） 、
锈钢 ， 作 为新 型 的骨 科 内固定 材料 如骨 钉 、 骨 板而 被 大
学 来对 ＨＡ／ Ｐ Ｌ Ａ 复合 材料 进行 研究 。 分 子动 力 学 （ ｍｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ， ＭＤ ） 模 拟 为 研 究 无 机材料 与 高聚物 的相 互作 用提 供 了一个 有 效 的方 法， ＭＤ是一 种计 算机 辅助 实验 技术 ， 它利 用 计算 机 以 原 子水 平 的分 子模 型来 模 拟 分 子 的结 构 与 行 为 ， 进 而 模 拟 分子体 系 的各 种 物 理 化 学 性质 ， 已经成 为 当前 分 子模 拟 的重 要 研 究 手段 。Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｈｏ ｎ ｇ ｐ ｉ ｎ ｇ等 ｌ ＿ １ 利用
ＭＤ模 拟 研 究 了在没 有 耦 合 剂 作 用 的条 件 下 ， 人 工 骨 面 的相 互 作 用 ，
量 使用 ， 其 可被 人 体 吸 收代 谢 的特 性 使 病 人 免 受 二 次 开 刀之 苦 。其技 术 附 加 值 高 ， 是 医 疗 行 业 具 有 发 展 前 景 的高 分子 材 料 ］ ， 但 同 时也 存 在 一 些 不 足 ， 如 强 度 不高 ， 降解 后 的产物 呈酸 性 ，易 引起 体 内炎 症反 应 ＿ ３ ］ ， 不 利 于 骨 细 胞 生 长 等 Ｊ 。羟 基 磷 灰 石 （ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｘ ｙ ａ ｐ ａ — ｔ ｉ ｔ ｅ ， ＨＡ） 是 自然 骨 的 主 要 成 分 ， 约 占人 体 骨 质 量 的
究Ｅ Ｌ Ｏ ， １ ］ ］ ， 但都 是通 过实 验 的方式 ， 而本 文采 用分 子动 力
系的结合 能 ， 并 对（ １ １ ０ ） 晶面径 向 分布 函数 和 力 学性 能
进行 了计 算 分 析 。结 果表 明 ， ３晶 面 所 对 应 结合 能 大
小 为 ＨＡ（ １ Ｉ Ｏ ） ＞ ＨＡ（ １ ０ ０ ） ＞ ＨＡ（ ０ ０ １ ） ； 其 相 互 作 用 主 要 源 自Ｐ Ｌ Ａ 中 的 Ｏ 原 子 分 别 与 ＨＡ 中 的 Ｈ 原 子 形 成
关键 词 ： 羟 基磷 灰 石 ； 聚乳酸 ； 分子动力学 ； 结合能 ； 径 向分 布 函数 ； 力学 性能
中 图分类 号 ： Ｏ６ ４ ７ ． １ ｌ 文 献标 识码 ： Ａ ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ ． ２ ０ １ ３ ． ２ １ ． ０ ０ ８
魏 庆华 等 ： ＨＡ／ Ｐ Ｌ Ａ 复 合 材 料 界 面 相 互 作 用 及 其 力 学 性 能 的 ＭＤ模 拟
文章 编号 ： １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） ２ １ — ３ ０ ８ ９ — ０ ５
ＨＡ／ Ｐ Ｌ Ａ 复 合 材 料 界 面 相 互 作 用 及 其 力 学 性 能 的 ＭＤ 模 拟