纳米羟基磷灰石复合材料在硬组织工程领域中的应用研究.pdf
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纳米羟基磷灰石复合材料在硬组织工程领域中的应用研究.pdf
第 2 4卷第 1 期 2 0 1 2年 1 月 化 学 研 究 与 应 用 Ch e mi c a l R e s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n V o 1 2 4,No 1 J a n ,2 0 1 2 文章编号:1 0 0 4 1 6 5 6(2 0 1 2)0 1-0 0 1 6-0 5 纳米羟基磷灰石 复合材料在硬 组织工程领 域 中的应用研究 严 涵,杨延慧 ,徐 静,陈 红,康晓梅,曾宪仕,王晓敏,陈晓浪,张志斌h (1 西南交通大学生命科学与工程学院,四川成都6 1 0 0 3 1;2 西南交通大学材料科学与工程学院,四川 成都6 1 0 0 3 1)摘要:人体骨骼的晶体成分主要是纳米羟基磷灰石(n-H A),n-H A具有优良的生物相容性、骨传导性和骨结合 能力,被广泛应用于硬组织修复材料中。本文综述了纳米羟基磷灰石在构建人体骨修复支架材料、骨替代材 料和口腔医用材料方面的应用研究。关键词:纳米羟基磷灰石;骨修复;口腔医用材料 中图分类号:R 3 l 8 文献标识码:A Re s e a r c h a nd a pp l i c a t i o n o f n a n o-hy d r o x y a pa t i t e c o mpo s i t e s i n ha r d t i s s ue e ng i ne e r i ng YAN Ha n ,YANG Ya n h u i ,XU J i n g ,C HE N Ho n g ,KANG Xi a o me i ,ZENG Xi a n s h i ,W ANG Xi a o mi n ,CHEN Xi a o l a n g 2,ZHANG Z hi b i n (1 C o l l e g e o f L i f e S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i ty,C h e n g d u 6 1 0 0 3 1,C h i n a;2 C o l l e g e o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n gi n e e r i n g,S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e rs i t y,C h e n g d u 6 1 0 0 3 1,C h i n a)Ab s t r a c t:O n e o f t h e m i n e r al c o m p o n e n t s i n s i d e t h e b o n e a n d t e e th o f t h e h u m a n b o d y w a s n a n o-h y d r o x y a p a t i t e(,l H A),n H A p o s s e s s e d g o o d b i o c o mp a t i b i l i ty,b o n e c o n d u c t i v i t y a n d b o n e c o mb i n i n g a b i l i t y,i t Was wi d e l y u s e d i n r e p a i r i n g o f h a r d t i s s u e T h i s p a p e r r e v i e we d t h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f,l HA i n b o n e r e p a i r s c a ff o l d ma t e ri a l s,bon e g r a f t s u b s t i t u t e ma t e ri a l s a n d o r a l me d i c i n e ma t e r i als Ke y wo r d s:n a n o-h y d r o x y a p a t i t e;b o n e rep a i r;o r al me d i c i n e ma t e ri a l s 羟基磷灰石(H y d r o x y a p a t it e,H A)是一种磷酸 钙生物活性陶瓷,分子式为 c a。(P O )(O H)。人体骨和牙釉质的主要无机成分是纳米羟基磷灰 石(n a n o h y d r o x y a p a t i t e,1,一 HA),在骨质中,n-H A的 含量约为 6 0,是一 种长度为 2 0-4 0 T i m、厚 度为 收稿 日期:2 0 1 1-0 5-2 3;修回 日期:2 0 1 1-08 1 0 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 0 0 3 0 8 8,5 0 5 7 3 0 6 1);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(N E C T-0 8-0 8 2 0);中央高校基本 科研业务费专项资金项 目 资助(2 0 1 0 Z I ,S WJ T U 0 9 C X 0 6 2)联系人简介:张志斌(1 9 5 8-),男,教授,研究方向:生物医用材料。E m a i l:z z b 1 8 3 1 6 3 c o m 第 l 期 严 涵等:纳米羟基磷灰石复合材料在硬组织工程领域中的应用研究 1 7 1 5 3 n m的针状结晶,而在牙齿骨中,n H A的含 量高达 9 7 。人工合成的n H A具有良好的生物相容性、生 物活性、骨传导性和骨诱导性,能与骨组织形成 良好的结合,诱导新骨的生成并为其提供支架,且 在体液的作用下,会部分降解,游离出钙和磷,可 被人体组织吸收和利用后,生长出新的组织,因 此,n H A被广泛的应用于人工骨及人工牙齿骨的 修复和骨组织工程方面。然而,n H A的力学性 能却 有 明显不足,如脆 性大、韧性差,在负重和受 到扭转力时易折断或碎 裂,这限制了其在体内负载部位 的应用。因此,为 了提高 n-H A的综合性能,将其 与韧性较好的聚合 物复合,可有效改善其强度和韧性,得 到力学性能 优异的生物活性复合材料,以用于人体骨修复。本文对纳米羟基磷灰石 复合 物作为骨 支架材料、骨替代材料、口腔 医用材料 方面 的应用 进行 了综 述。用适当的方法在纳米羟基磷灰石 中添加天然 活性物质或人 工合成高分子,如壳 聚糖、聚酰胺、胶原、聚乳酸等,可 赋予其优 良的韧 性,提 高其降 解能力、塑形能力与机械强度,所以其复合产物常 用作支架材料、骨替代材料等。1 1,l HA复合物构建支架材料 除了材料与人体组织和细胞的亲和性外,理 想的支架材料要具有对生理环境 的响应能 力并顺 应新骨的形成,且随着新生骨组织 的生长,材料本 身要能在体内降解。支架材料的作用为:一方面,作为信号分子(骨生长因子、骨诱导因子)的载体,要将其运送到缺损部位;另一方面,支架为新骨提 供生长的框架骨,由诱 导因子诱导 靶细胞多 向分 化,转化为骨性细胞,进一步形成新骨 。李劫若等 制备了纳米羟基磷灰石 壳聚糖 支架(n H A C S 支架),用液体置换法测得孔隙率 为9 0,孔径在5 0 2 0 0 ,平均为 1 5 0 n 1,局部 支架的孑 L 结构具有一定的取向,呈管网状。将体 外提纯、扩增的骨髓 间充质 干细胞诱导成 为软骨 细胞,种植到支架上,并把支架放在 2 4孔板上,顶 部盖上圆柱状、直径 5 m m的“靴”型模具,滴加诱 导培养液至模具下沿,经培养 1 4天后,隔绝 培养 基的支架 顶部 未见 软骨 细胞。表明这种 特殊 的“靴”结构,能隔离被覆盖的支架顶部与培养基,使 软骨细胞集 中在无覆盖 的支架上复合,为实现一 个支架同时修复骨软骨联合缺损提供新的思路,有望解决骨组织与软骨之间界面耦合困难的问 题。但下一步应深入研究的是材料的机械强度、理化性质、定向分化及移植细胞的寿命等问题,以 便为体内移植应用打下基础。黄棣等 制备了壳聚糖(C S)修饰的纳米羟 基磷灰石 聚酰胺 6 6(7,一 H A P A 6 6)复合多孔支架。c s 修饰前的 n H A P A 6 6支架孔隙率为(8 4 7 3-I-3 0 5),大孔平均孔径为(5 6 8 1 1 2)m,大孔上 分布着孔径 5 m 的微孔,表明其本身具有 良好 的孔隙结构与贯通性,有利于细胞生长。经 C S修 饰后,多孔支架孔径减小,如浓度为5 的 c S 修饰 后孔径减至(4 1 6 8 3)b L m,同时孔隙率随着 c S 溶 液浓度的升高呈下降趋势,c s 浓度为5 时,孔隙 率降低到 7 8 左右,仍能满足骨组织工程对多孔 支架材料的要求。修饰前 n H A P A 6 6多孔支架 的抗压强度为 0 4 5+0 1 5 M P a,弹性模量为4 9 7 1 7 8 MP a,经 C s 修饰后的力学性能随 C S浓度的 增加而提高,当 5 C S修饰时,支架的抗压强度达 到 2 3 8 0 7 7 M P a,这是未修饰前支架的 5倍多,而弹性模量达到了 3 2。7 1 1 5 1 7 MP a,为修饰前支 架的6 倍多。细胞培养结果表明细胞能在复合多 孔支架表面黏附,铺展和生长,具有 良好的细胞相 容性。所以 C s修饰的 H A P A 6 6复合多孔支架 的孔隙率满足基本要求,但力学性能明显好于未 修饰支架,具有成为骨组织修复支架材料的巨大 潜力,但是该材料的生物降解性能还有待研究。王晓敏 等利用胶原的成凝胶特性,通过复 合凝胶的形成和控制脱水,制备了胶原 羟基磷灰 石(C O L HA)复合膜材料。与纯胶原膜相比,复合 膜的拉伸断裂强度随 H A含量增加而降低,当 H A 含量最大时(6 0,C H A 4 6)拉伸强度为 5 3 4 8 8 MP a,而 C O L膜的拉伸强度为 9 7 7 1 4 6 M P a。对于屈强比和弹性模量,随 H A含量增加,各比例 复合膜的屈强比和弹性模量都呈增大趋势,且均 高于 C O L 膜,如 C H A 4 6的屈强比达到了0 8 5以 上,其弹性模量达到 1 4 9 0 1 5 G P a。这表现出该 材料具有良好的力学强度,其拉伸强度明显高于 C a i h o n g Y等 用 P V A与 H A复合所制备的膜(拉 伸强度最大为4 6 8 2 M P a),而 S u s a n L等8 采用聚 1 8 化 学 研 究 与 应 用 第 2 4卷 乳 酸、胶原和羟基磷灰石制备的复合膜,拉伸强度 为 9 7 1 7 MP a,弹性模量为 1 2 O 5 G P a,C HA 4 6 膜的拉伸 强度 是其 5倍,弹性 模量 也有 所提 高。另外随着 H A含量增加,复合膜的溶胀率大为降 低,C H A 4 6和纯 C O I 的平衡溶胀率分别为 6 5 5 l O 和 1 0 3 2 1 4 3,溶胀率太大,对手术操作 和长 期稳定性都有很大影 响,所 以可进步研 究该材 料的原料比,以期得到适用于临床的复合膜材料。另外,复合膜具有类骨性能,能引导成骨细胞 向缺 损区生长。该复合材料对改善 n H A强度低、韧性 差等缺点提供 了参考,但还需研究 复合材 料的降 解性等问题,才有望应用于骨修复支架材料。汪学军等 利用热致相分离法制备 了纳米羟 基磷灰石 聚乳酸(n H A P L I A)三维纳米纤维多 孔复合支架,实验表明其有利于成骨细胞 的黏附、增殖、分化和生长。当 P L L A和 n H A的质量 比为 8 0:2 0时,复合支架的压缩模量最大(0 6 3 MP a),比纯聚乳酸纳米支架 高了 3倍 多。体外降解实验 显示出,复合支架生理盐水降解液的 p H F 降比纯 聚乳酸支架的缓慢,且更快趋于稳定。由于 n H A 的碱性 中和了 P I J L A的酸性水解产物,这在一定程 度上解决了体 内炎症 问题,所 以该 复合支架有望 成为一种综合性能优 良的骨组织支架材料。苏佳灿等0 m 制备 了 n H A P C L(聚 己内酯)复 合支架,其孔隙率可达 8 6,大孔贯通,这使得该 支架具有比较大 的内比表面积,但此 时复合支架 的抗压强度下降得较快,仅为2 4 M P a,而当支架 孔隙率为 6 0 时,其抗压强度为 1 1 M P a,初步表 明复合支架的抗压强度随孔隙率增大而降低。所 以需要进一步研究该材料 的支架孔 隙率和抗压强 度的关系,确定符合使用要求 的支架的孔隙率与 抗压强度的平衡值。加之复合材料 的生物活性 与 生物相容性优 良,体内植入 实验显示支架植入 8 周时,有较多新骨组织长人支架材料的孔隙 内,新 骨中含有许多骨细胞和造骨细胞。材料一 骨组织之 间无结缔组织间隔,形成直接的骨性结合,表明该 材料有利于新骨形成。管东华等 利用气流 高压静电纺丝技术将 n H A与气电纺 聚羟基丁酸酯(P H B)纤维支架材 料复合,制成新型 n H A P H B复合纤维支架。细 胞实验表明,该支架具有 良好的亲和性,能促进成 骨细胞的粘附、增殖及骨钙素的合成与分泌,有望 用作骨组织工程支架材料。1 2 r 一 H x A复合物构建骨替代材料 纳米羟基磷灰石是一种 可靠 的骨修复材料,但它的塑形 能力 与降解 能力均不理想,可通过复 合性能优异 的物质来改善。冯伟等 制备了纳米羟基磷灰石 聚羟基丁 酸戊酯 聚乙二醇(n HA P HB V P E G)圆柱状人工 骨。P HB V是聚羟基丁酸与羟慕戊酸的共聚物,其 强度和韧性较好,与 P E G共混后,利用其高亲水性 来改善 P H B V亲水性差 的不足,且复合材料中引 入水溶性较好的 P E G,可加速材料 的降解 J。动 物植入实验 表 明,1 6 2 4周 时,材 料 已大部分 降 解,材料与宿 主骨部分融合,密度逐渐接近,骨皮 质部分连接,新骨进一步增多,骨缺损得到初步修 复,这表 明 n HA P H B V P E G人工 骨具有 良好 的 成骨能力和生物相容 性,该材料为寻求更有效 的 骨移植替代材料提供了理论依据。重庆医科大学附属第一 医院骨科在一段时期 内收治的经病理证实的胸腰椎嗜酸性 肉芽肿的 1 5 位患者,都进行了前路病灶切除、凡 H A P A 6 6人 椎体置人、前路钉板系统内固定治疗,何斌等 对 患者进行 了随访,平均随访 2 1年,多数患者术后 无明显疼痛,患者全部痊 愈,脊髓功 能得到恢复,无复发及 并发 症产 生。这里 使用 的 几 一 H A P A 6 6 的压缩强度 1 1 0 6 M P a,弯曲强度 7 7 4 MP a,冲击 强度 1 1 8 k J m ,弹性模量 5 3 G P a 7 7,2 4 。抗 压、抗弯强度和弹性模量与人体皮质骨相近,既能 满足临床硬组织修 复要求,又能避免刚度过高产 生应力屏蔽。表明 n H A P A 6 6人工椎体对 脊椎 嗜酸性肉芽肿病椎切除的治疗有 良好 的椎体重建 效果,可初步应用 于临床治疗,但还 需长期 的、大 规模 的临床观察。欧云生等 用 自行 研制 的 n H A P A 6 6复 合生物活性人工椎体支撑植骨治疗胸腰椎爆裂型 骨折合并截瘫,术后 3-6个月骨性融合,无感染、椎 体移位和断钉等并发症产生。蒋电明等 用 n H A P A 6 6复合生物潘l生 人工椎板治疗椎板切除术 后的椎板缺损,n-H A P A 6 6可有效恢复爆裂,压缩 椎体的高度和结构,并能与椎体愈合,起到有效重 建椎体结构的作用。2 n H A在口腔医用材料方面的应用 第 1 期 严 涵等:纳米羟基磷灰石复合材料在硬组织工程领域 中的应用研究 1 9 2 1 凡 一 HA与胶原和聚乳酸复合 治疗牙周病 骨缺损需要建立新 的牙周附着,而其重要条件即为修复破坏的牙槽骨,闰永发 等 利用纳米羟基磷灰石复合胶原材料植入患者 牙槽骨缺损区,观察表明4 7例患者手术后伤口均 达到一期愈 合,无伤 口感染及 材料露 出等 问题 出 现,6个月后 X线检查显示骨密度继续增加。经 2 年临床应用证实 n HA C具有很好的生物活性和组 织相容性,能促进骨组织生长,加速骨组织修复,在临床治疗牙周病 骨缺损 中取得 了 良好效果,是 一种实用、价廉、应用方便 的较为理想 的引导牙周 组织再生的材料。刘冰等 将重组人骨形成蛋 白_ 2(r h B MP-2)与 纳米羟基磷灰石复合胶原 聚乳酸(n a n o h y d r o x y a p a-t i t e c o l l a g e n P L A,n H A C P I A)材料复合,制得活性 纳米 羟 基 磷 灰 石 复 合 胶 聚 乳 酸 材 料(A H A C P IA),将其植入犬的拔牙创内,1 2周后观察 表明,拔牙创表面完全被成熟的新骨覆盖,表面平 整,牙槽嵴高度及宽度降低 不明显,材料降解性 能 较好,只可见少量残余材料,该材料在动物实验中 显示出良好的愈合拔牙创能力,有望用于临床治 疗。C a tl e d g e等 将,l H A与左旋聚乳酸(P L L A)、胶原、聚氨基葡糖等复合,用于 口腔外科方 面 中的颌骨缺损修复,克服 了由于混旋 聚乳酸(P D L-L A)相对分子质量低、降解速度过快、未吸收的降 解产物堆积过多而影 响局部血流量和 p H值、降低 成骨细胞和成纤维 细胞 的活性、延缓骨愈合过程 等问题,从而该材 料在颌骨缺损 修复 中得到 了较 好的效果。2 2 -HA与金属元素复合 人工合成的n H A抗菌性能较差,而因其结晶 性和结构稳定性较高,造成 n H A生物降解性和韧 性等性能不太好,这样便导致其在一定程度上不 利于骨缺损部位的骨生长。由于 n HA的物理、化 学及生物性能取决于其晶型结构和组成,所以在 n H A中掺入一些金属元素是提高其性能的有效 方法。林英光等 在 n HA中掺入锌,形成置换式 固溶体,n H A的原有晶格发生畸变,改善了其结 晶性、溶解性及生物降解性等性能,使材料具有更 好的生物学性能、骨缺损修复能力和抗菌能力。实验表明,该材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、乳酸杆菌的抑菌率均高于 n H A的抑菌率,更有利 于骨修复。程江等 在使用传统沉淀法制备 7,H A的工 艺过程 中掺人锶盐,制得 掺锶 n HA,提高 了其抗 致龋菌 的性能,在齿科材料 中有一定 的应用前景。推测其抗菌机理为:掺锶后的材料溶解性增强,在 一定时间内会解离出更多的带正电荷的 S r ,其能 吸附细胞膜上带负 电的细菌,并可 与细胞膜 中的 蛋白质结合,从而破坏微生物细胞的能量代谢系 统,使细菌生长受阻或死亡。3 结 语 纳米羟基磷灰石具有优 良的生物相 容性、生 物活性和骨诱导性,但其缺点是脆性和韧性差,需 与性能较好的高分子材料复合,以改善其力学性 能,得 到满足应用要求 的 n H A复合 材料。7 ,-H A 复合材料主要应用在人体 骨修 复方面,在 口腔 医 用材料方面也有一定的应用。可以看出,1 H A与 P A 6 6复合形成 的材料在强度、孔隙率和生 物相容 性等性能方面更优,在临床应用方面也更广泛,既 可以作为支架材料又可作为骨替代材料;t H A与 壳聚糖、胶原等天然活性物质复合得到的材料在 力学强度、韧性及骨诱导性能方面占有一定优势,适合构建支 架材料,其 中 n H A 胶原 复合材料还 可作为牙槽骨修复材料;n HA P H B V P E G人工骨 具有 良好的成骨性能 和生物相容性,更适宜用作 骨替代材料;而 n H A复合金属元素材料因其优异 的抗菌性能,广泛的应用 于 口腔 医用材料 中。目 前,n H A复合材料普遍需要解决的还是生物降解 性、生物相容性等。随着对 n-H A的进一步研究,儿 一 H A复合材料在生物医药材料领域的应用将会 更广泛,并有望在临床应用中发挥更大的作用。参考文献:1 沈烈,乔飞,张宇强,等 碳纤维增强羟基磷灰:百 聚乳 酸复合生物材料的力学性能和体外降解性能 J 复合 化 学 研 究 与 应 用 第2 4卷 材料学报,2 0 0 7,2 4(5):6 1-6 5 2 V i t o r i n o R,L o b o M J,D u a r t e J,e t a 1 I n v i t r o h y d r o x y a p a-t i t e a d s o r b e d s a l i v a r y p r o t e i n s J B i o c h e m B i o p h y s R e s C o mm u n 2 0 0 4,3 2 0(2):3 4 2-3 4 6 3 孙云鹏,张松林,郭万厚 纳米羟基磷灰石复合材料在 骨组织工程中的研究 J 华北煤炭医学院学报,2 0 1 0,1 2(6):8 0 8-8 0 9 4 李劫若,查振刚,姚平等 纳米羟基磷灰石 壳聚糖支架 与诱导骨髓间充质干细胞体外构建软骨支架复合体 J 中国组织工程研究与临床康复,2 0 0 9,1 3(3):4 1 1 41 6 5 黄棣,李吉东,左奕等 壳聚糖修饰纳米羟基磷灰石 聚 酰胺复合多孔支架的制备及性能研究 J 功能材料,2 0 0 9,7(4 o):1 1 7 5 1 1 7 8 6 王晓敏,李旭东,张志斌 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