论文部分内容阅读
近年来,由先天性缺陷、运动和交通事故等原因引起的骨植入修复病例急剧增加,对性能优异的骨材料需求量与日俱增。众所周知,自体骨是骨移植的优选材料,但是其来源有限且容易引起供给部位坏死。相对于自体骨,异体骨的来源则较为广泛,但其依然存在着整合与重塑缓慢、免疫排斥反应以及疾病传播等诸多问题。理想的人工骨植入材料,应能够模拟天然骨的成分和结构,促进骨缺损部位的修复,并在体内提供长期良好的生理环境。然而,目前的人工骨植入材料存在着仿生程度不足、表面生物活性低以及因团聚和两相界面相容性差所引起的力学性能不匹配等问题。本课题组前期开发的纳米层片状羟基磷灰石(LHAp)生物陶瓷材料结构及成分与骨无机矿物十分相似,具有仿生程度高和生物活性优异等特点,但仍存在脆性高和难加工等问题。基于此,本文选用生物可降解聚乳酸(PLA,挤出级3052D和注塑级4032D)和强度/模量与人骨匹配的聚醚醚酮(PEEK,医用级450G)分别作为LHAp的基体材料,通过熔融复合法制备了三种不同的骨植入生物医用复合材料,以期获得界面结合能力高、LHAp均匀分散、高表面生物活性且具有较高仿生程度的骨植入材料。本文采用直接熔融插层法将LHAp剥离为纳米片状羟基磷灰石(np-HAp),在此基础上,利用易于批量化生产的挤出和注塑工艺制备了结构仿生np-HAp/PLA纳米复合材料。采用力学性能测试和热重分析(TGA)分别研究了np-HAp含量对复合材料力学性能和热稳定性的影响;通过体外生物学行为测试对np-HAp/PLA复合材料的生物相容性和体外生物活性进行了评价。研究发现,与PLA相比,np-HAp/PLA复合材料的压缩屈服强度和分解温度分别提高了29.9%(p<0.05)和17.5%。更为重要的是,np-HAp的加入显著改善了细胞的黏附和增殖能力:与PLA在第7天的细胞存活率(约200%)相比,np-HAp/PLA复合材料的细胞活性增加了50%。主要原因是np-HAp/PLA复合材料中的np-HAp具有更大的比表面积和更多的暴露活性位点,使该复合材料具有更优异的体外生物活性(在矿化7天时,PLA表面仅观察到少量磷灰石沉积,而np-HAp/PLA复合材料表面已有大量磷灰石覆盖),该材料有望成为一种新型的承重骨植入材料。为进一步改善np-HAp和PLA的界面结合强度,分别采用硅烷偶联剂(SC)和硬脂酸(SA)对LHAp进行了表面改性,通过挤出、注塑及热压工艺制备了改性np-HAp/PLA复合材料(SC-np-HAp/PLA和SA-np-HAp/PLA)。采用压缩性能测试和TGA分别研究了改性剂对复合材料力学性能和热稳定性的影响;通过体外生物降解实验分析了改性np-HAp/PLA复合材料的抗水解性能。研究发现,与np-HAp/PLA复合材料的压缩屈服强度(约为84.7 MPa)相比,SC-np-HAp/PLA复合材料提高了9.4%(p<0.01),而SA-np-HAp/PLA复合材料则下降了11.4%(p>0.05);TGA结果显示,与np-HAp/PLA复合材料的初始分解温度(353.3℃)相比,SC-np-HAp/PLA复合材料提高了7.4%,而SA-np-HAp/PLA复合材料则提高了5.6%,提升幅度略低。此外,体外降解实验结果表明,SC-np-HAp/PLA复合材料失重率仅为22.7%;而SA-np-HAp/PLA复合材料则高达44.5%。在生物酶降解实验中发现,经过蛋白酶K降解的四种复合材料表面形成了类似花瓣的三维结构,且复合材料表面暴露出了大量的np-HAp,较之于SA-np-HAp/PLA复合材料,SC-np-HAp/PLA复合材料具有更大的暴露面积。这是由于SC与np-HAp表面的大量活性官能团形成了强氢键,从而增强了np-HAp与PLA两相界面的结合能力,然而,SA主要以物理吸附形式与np-HAp结合,易在加工过程中游离至PLA基体。因此,经SC改性后的np-HAp具有与PLA基体更好的界面结合能力,这将为骨植入材料的制备提供借鉴。为给骨缺损患者提供可在体内长期稳定存在的植入材料,本文还将LHAp、氧化石墨烯(GO)和PEEK(医用级450G)三者进行熔融复合,制备了np-HAp/GO/PEEK复合材料,并将所得复合材料进行了三种参数的激光表面处理,在其表面构建出具有不同直径的凹坑结构。采用X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分别对np-HAp/GO/PEEK复合材料的结构化表面进行了晶体结构和化学结构分析;通过力学性能和差示扫描量热(DSC)测试对激光处理的np-HAp/GO/PEEK复合材料的拉伸性能、亲水性及结晶度进行了考察;通过体外生物学行为测试对材料结构化表面的细胞黏附与增殖能力进行了评价。研究发现,激光处理不会破坏np-HAp、GO及PEEK三者的晶型,但会改变np-HAp/GO/PEEK复合材料表面的官能团性质。np-HAp/GO/PEEK复合材料表面的不同直径凹坑结构能够明显提高复合材料的细胞相容性,特别是直径为400μm的凹坑多孔阵列明显促进了小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)的黏附和增殖,这为提高骨植入复合材料的表面生物活性提供了一种新的途径。值得一提的是,虽然激光处理改变了复合材料表面的平整性,但是该处理对材料的拉伸性能、亲水性及结晶度等的影响十分有限(变化不超过2%)。本文研究的三种生物医用仿生复合材料(np-HAp/PLA、SC-np-HAp/PLA和表面凹坑型np-HAp/GO/PEEK)均具有良好的力学性能和热稳定性,可满足植入骨的承载和体外灭菌的要求。同时,三种材料具有高的表面生物活性,这在刺激骨诱导、骨传导能力方面具有显著优势。本文将为骨植入提供关键性材料,并为骨植入材料的设计和研发提供理论依据和技术支撑。