納米羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料的研究進(jìn)展

王鵬飛，阮孝慈，楊富幫

納米羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料的研究進(jìn)展

王鵬飛，阮孝慈，楊富幫

（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津300457）

該文詳述了幾種納米羥基磷灰石/膠原仿生復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用，旨在為羥基磷灰石復(fù)合材料的研究提供更廣闊的發(fā)展空間。

納米羥基磷灰石；膠原；制備；復(fù)合材料

到目前為止，由于意外創(chuàng)傷等因素造成的骨缺損給許多人帶來了極大的困擾，因此缺損骨的修復(fù)和重建成為目前骨科領(lǐng)域探究的熱點(diǎn)。臨床醫(yī)學(xué)常使用自體骨、異體骨、異種骨和人工合成材料等作為主要的骨修復(fù)材料。但是，它們都有其本身的缺點(diǎn)。就自體骨而言，它的來源有限、塑形困難，更危險(xiǎn)的是還會引起自體供骨區(qū)的多種并發(fā)癥狀；同種異體骨和異種骨均被人體視為抗原，極易發(fā)生排斥反應(yīng)，造成骨融合率低，導(dǎo)致植骨失敗[1]。因而，尋求理想的骨替代材料用于節(jié)段性骨損傷的生物性重建是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)骨科領(lǐng)域發(fā)展的首要任務(wù)。研究發(fā)現(xiàn)，人體的骨頭主要是由有機(jī)成分和無機(jī)成分組成，且有機(jī)成分所占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出無機(jī)成分，其中，有機(jī)成分中主要是膠原蛋白，無機(jī)成分則主要是羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HAp）和極少的氟磷灰石、碳酸磷灰石等[2]?？偟膩碚f，人體骨主要是由有機(jī)大分子的膠原蛋白和無機(jī)的低結(jié)晶度的納米羥基磷灰石組成的復(fù)合物質(zhì)，其中膠原蛋白有序地排列在羥基磷灰石周圍并且呈三股螺旋結(jié)構(gòu)方式排列。

作為骨損傷的修復(fù)材料，與天然骨不僅要在宏觀結(jié)構(gòu)上相似，在微觀結(jié)構(gòu)上也要保持一致。既要具有符合肌體條件的承載強(qiáng)度、組織韌性和材料可降解性，也要具有良好的生物活性和在骨誘導(dǎo)分子的作用下形成新骨的性能，這樣可以確保仿生骨植入人體后能被人體接受，盡快修復(fù)好受損骨并且沒有任何并發(fā)癥，也可以承受一定壓力。羥基磷灰石作為一種新型生物材料，能夠滿足生物相容性、骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性這3個成骨要素。而且該物質(zhì)還具有不含其他有毒元素，可以為人體組織提供必需元素鈣和磷等優(yōu)勢。將復(fù)合骨植入人體后，顯示出良好的韌性和抗壓性，同時其組成成分中的鈣和磷還會在人體體液的作用下游離出來，從而被人體吸收促進(jìn)其新骨和其他組織的生長，而且還可以與自體骨組織形成化學(xué)鍵，融合成新骨組織的一部分。膠原（Collagen，Col）的加入，HAp與Col共同構(gòu)建的仿生骨修復(fù)材料與天然骨的成分、結(jié)構(gòu)和特性極其相近，將其再進(jìn)一步改進(jìn)然后用來修復(fù)骨缺損是極好的材料，因此，這種復(fù)合材料成為骨修復(fù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

當(dāng)羥基磷灰石被制成納米羥基磷灰石（nano-Hydroxyapatite，nHAp）時，其具有更加優(yōu)良的性能。納米羥基磷灰石具有的晶體結(jié)構(gòu)和生物相容性，能顯著地提高細(xì)胞的黏附和增殖性能。nHAp和其他形式的HAp由于物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致其再生性能和骨傳導(dǎo)性能不同。研究發(fā)現(xiàn)，采用nHAp與Col構(gòu)建形成的復(fù)合骨中，nHAp的性能得到了極大的改善。

1 合成方法

到目前為止，研究和制備nHAp/Col復(fù)合材料的文章和方法很多，每一種方法都有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文主要從以下幾個方面闡述nHAp/Col復(fù)合材料的合成方法，通過研究不同的制備工藝，旨在尋求高力學(xué)性能、高生物活性的nHAp/Col復(fù)合材料的制備新方法，為復(fù)合材料的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1.1 共混法

酆波將10 g膠原溶于200 mL量濃度為0.5 mol/L的醋酸溶液中，振蕩直至其充分溶解制成膠原凝膠溶液，另取H3PO4溶液（量濃度0.5 mol/L）和CaCl2溶液（量濃度0.5 mol/L）經(jīng)水熱合成制備nHAp，在低溫條件下，將經(jīng)過超聲分散的nHAp的均勻漿液緩慢加入上述膠原凝膠基質(zhì)中，同時加入適量的NaOH溶液（量濃度0.5 mol/L）調(diào)節(jié)pH至7.4，在此條件下充分?jǐn)嚢?2 h使其共混均勻，靜置一段時間得白色沉淀，靜壓成型后制得nHAp/Col復(fù)合材料[3]。

Pohunkova等首先分別制備HAp與Col，然后根據(jù)共混原理在低溫條件下將經(jīng)超聲波分散的水熱合成的粉狀HAp與中性Col凝膠液按質(zhì)量比70/30盡可能地混合均勻。在pH=7.3、溫度4℃的條件下加入戊二醛作為交聯(lián)劑進(jìn)行凝膠固化，充分洗滌后脫水干燥制得nHAp/Col復(fù)合材料[4]。此方法便于操作，但只是簡單的機(jī)械混合，合成的復(fù)合材料中無機(jī)物和有機(jī)物難以形成分子水平上的緊密鍵合，與天然骨只是在成分上相似，而無法達(dá)到微觀結(jié)構(gòu)上的一致。

1.2 原位合成法

Lin等按HAp和Col的質(zhì)量比70/30將（NH4）2HPO4和Ca（NO3）2溶液依次加入到中性膠原溶膠中，在pH為7.2±0.2，溫度10℃以下攪拌反應(yīng)一定時間后升溫至30℃左右，靜置保溫16～20 h凝膠固化，充分洗滌干燥后按壓成型，制得nHAp/Col復(fù)合材料[5]。原位合成法原理：利用分級控溫來控制Col的自組裝過程和纖維的形成，并以Col為模板在原位引導(dǎo)磷酸鹽礦化。由于低溫條件下膠原溶膠的黏度低、流動性能好，且含有大量的膠原單體分子和少量的纖維，當(dāng)其與（NH4）2HPO4原料液混合時，能夠形成分子水平上的緊密鍵合，此時再加入原料液Ca（NO3）2使得原位形成nHAp。膠原分子均勻地鑲嵌于nHAp晶體基質(zhì)中形成狀態(tài)均一的溶膠，當(dāng)溫度升至一定溫度時保溫適當(dāng)時間，膠原開始由分子單體聚合成絲狀膠原纖維，隨后絲狀膠原纖維側(cè)方聚合，形成直徑和長度較大的膠原纖維束。低溫形成均勻且長的纖維時，膠原分子與均勻分散在膠原分子周圍的nHAp晶體通過自組裝聚合形成nHAp/Col復(fù)凝膠塊。擠壓除水、洗滌干燥，保持此分散態(tài)到固態(tài)，從而制得nHAp均勻分布于膠原纖維基質(zhì)中的仿生復(fù)合材料。

1.3 電化學(xué)沉積法

張超等根據(jù)材料自組裝原理首先生成HAp前驅(qū)液，然后以Ⅰ型膠原分子為模板引導(dǎo)液體中鈣磷鹽的礦化，通過電化學(xué)沉積法合成了nHAp/Col復(fù)合材料。制備過程：向膠原溶液中加入一定質(zhì)量的磷酸溶液，超聲震蕩使其混合均勻，在攪拌的過程中以2 d/s的速度滴加CaCl2溶液，并用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至7.0左右即可得到白色沉淀物，靜置、抽濾、分離出沉淀，充分洗滌后冷凍干燥制得nHAp/Col復(fù)合材料[6]。

1.4 共滴定法

林曉艷等首先將膠原溶于H3PO4溶液中制得Col-磷酸水溶液，并稱取一定量的氫氧化鈣加入去離子水中，以恒定速度充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，過濾得澄清的飽和氫氧化鈣上清液。然后用電子蠕動裝置將所制飽和氫氧化鈣上清液和Col-磷酸溶液按摩爾比Ca/P=1.67同時滴加到裝有1 000 mL去離子水的大燒杯中，控制反應(yīng)的pH為8.0，溫度為37℃。此條件下攪拌老化18 h，pH降至7.0，經(jīng)過離心分離、洗滌沉淀、冷凍干燥、靜壓成型后可以制成柱狀復(fù)合材料。分別用XRD、TEM、SEM和FTIR對復(fù)合材料的微觀組成和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測分析，并采用微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對復(fù)合材料的物理抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)測試[7]。

Kikuchi等采用水化法以CaO為原料制備得到Ca（OH）2懸濁液，將其與Col-磷酸水溶液同時滴加到盛有去離子水的反應(yīng)容器中，并且持續(xù)攪拌，溫度控制在40℃，pH為8～9，經(jīng)過一段時間后有白色沉淀生成，需要持續(xù)養(yǎng)護(hù)24 h后再進(jìn)行分離、洗滌和干燥即可得到復(fù)合材料[8]。反應(yīng)條件的確立依據(jù)：在溫度升高到一定程度時，Col會釋放出結(jié)合水。在pH呈現(xiàn)弱堿性時，Col的Zeta電勢趨近于零，極易發(fā)生團(tuán)聚形成沉淀，這樣有利于HAp納米晶體的穩(wěn)定生成。Col的這些化學(xué)性能恰好符合細(xì)胞成骨的必要條件，而且還可以使復(fù)合材料自發(fā)地組織形成一定的結(jié)構(gòu)與形狀[9]。然而，此方法仍存在不足之處，即應(yīng)用CaO水化制備飽和Ca（OH）2上清液時，實(shí)際操作中其反應(yīng)產(chǎn)率無法達(dá)到100%，未參與反應(yīng)的Ca（OH）2固體顆粒進(jìn)入復(fù)合材料后不易去除，會影響材料的綜合性能。

王振林等根據(jù)生物礦化原理，利用材料自組裝技術(shù)先分別制備氫氧化鈣懸浮液和膠原/磷酸混合液，再分別轉(zhuǎn)移至800 mL的分液漏斗中。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電動攪拌器的攪拌下共同滴加到預(yù)先盛有500 mL蒸餾水的反應(yīng)容器中，反應(yīng)過程中控制溫度在40℃，pH為9，生成白色沉淀后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)12 h。移去上清液，將下層沉淀用蒸餾水反復(fù)洗滌3次，抽濾、室溫下晾干即可[10]。

1.5 模擬生理環(huán)境浸泡法

Zhang Li-Juan等利用膠原表面帶電功能團(tuán)對HAp的成核作用，先用蒸餾水配制1.5倍離子濃度的模擬體液，其pH調(diào)至7.4，然后在溫度37±0.5℃下將膠原膜浸泡于該模擬體液中數(shù)天后制備得HAp/Col仿生復(fù)合膜材料[11]。該制備方法通過緩慢礦化在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對材料成分和結(jié)構(gòu)的仿生，但需要較長時間的培養(yǎng)，而且不易控制材料中HAp與Col的比例，無法達(dá)到骨骼的原位復(fù)合。

1.6 靜電紡絲技術(shù)法

靜電紡絲技術(shù)是利用聚合物溶液或熔融狀態(tài)時在強(qiáng)電場中形成的噴射流，從而進(jìn)行紡絲的過程。由于納米超細(xì)纖維長絲的連續(xù)制備，且分布均勻，具有良好的生物相容性，已成為組織工程支架材料制備方法研究的熱點(diǎn)。Teng等先用共滴定法合成HAp，然后將HAp加入膠原-六氟丙醇溶液中，攪拌24 h。將混合溶液裝入注射器，在高靜電場15 kV/12 cm，以0.2 mL/h的速度噴射向鋁箔板，電紡過程約10 h。采用這種方法制備復(fù)合材料時，nHAp沿著膠原纖維定向形成，均勻分布在膠原分子三股螺旋結(jié)構(gòu)中，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)均勻連續(xù)[12]。

綜上所述，不同制備方法對比可知，原位合成法是利用仿生原理制備HAp/Col復(fù)合材料，在成分和結(jié)構(gòu)上與天然骨相似，且制備工藝簡單，所需反應(yīng)時間短，是一種理想的合成方法。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

作為原生骨組成中主要的無機(jī)礦化基質(zhì)，HAp具有獨(dú)特的生物性能和易融入骨組織固定成骨的特點(diǎn)，是一種理想的硬組織骨損傷替代材料[13]，但其強(qiáng)度低且韌性差，無法達(dá)到承載部位的物理性能要求，限制了其在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用。膠原分子的三股螺旋結(jié)構(gòu)和互相聯(lián)系的多孔結(jié)構(gòu)及骨細(xì)胞親和性是其作為骨修復(fù)材料的優(yōu)點(diǎn)，但膠原性軟，缺乏力學(xué)的完整性，無法成為硬骨組織的替代材料。隨著研究的深入，人們根據(jù)仿生學(xué)原理并結(jié)合人體組織的新陳代謝過程構(gòu)建了nHAp/Col復(fù)合材料，其具有天然骨的宏觀結(jié)構(gòu)又模仿了其微觀特性，實(shí)現(xiàn)了單一材料優(yōu)勢互補(bǔ)。而且該復(fù)合材料無毒性、無抑菌作用，不會引起溶血，不含熱源物質(zhì)，臨床使用安全可靠[14]?？傊?，nHAp/Col仿生復(fù)合材料具有無免疫原性、快速的生物降解性、優(yōu)良的骨相容性和高效的骨傳導(dǎo)性等特點(diǎn)，便于血管與細(xì)胞的長入。納米HAp晶體能夠被高效地利用成骨，與膠原復(fù)合后使其成骨效率更高，有利于骨缺損的修復(fù)重建，具有很好的應(yīng)用前景[15]。

3 應(yīng)用

目前，nHAp/Col復(fù)合材料主要應(yīng)用于牙周組織的再生修復(fù)[16]和牙槽骨缺損的修復(fù)[17]及節(jié)段性骨缺損的修復(fù)。Hu Qing-liu通過制備仿松質(zhì)骨的nHAp/ Col人工骨，并將其移植在動物體內(nèi)，研究復(fù)合材料是否可以用于修復(fù)動物股骨頭缺損或者壞死。結(jié)果表明，該復(fù)合人工骨可作為移植骨有效地替代體內(nèi)壞死的骨細(xì)胞，抑制股骨頭壞死的發(fā)展進(jìn)程，有望成為臨床治療早期股骨頭壞死的新療法[18]。

田衛(wèi)東等利用膠原特有的黏附性與顆粒型的HAp制備復(fù)合人工骨，并將其植入有骨缺損的動物下頜，用于探究此復(fù)合人工骨的組織相容性及骨缺損修復(fù)功能，結(jié)果表明，該HAp/Col復(fù)合人工骨具有良好的組織相容性以及生物降解性，其中膠原在植入后8至16周被完全吸收，并據(jù)此提出了“多中心成骨”的修復(fù)機(jī)理[19]。Pek等通過簡單混合的方法制備了nHAp/Col多孔復(fù)合骨修復(fù)材料，研究表明，所制復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能與骨皮質(zhì)在松質(zhì)骨內(nèi)的延伸部分十分相似，而且具有比較好的生物活性和生物降解性，已廣泛應(yīng)用于動物骨缺損的修復(fù)實(shí)驗(yàn)[20]。

周曉媛等通過各種表征和灰分測試對人工骨的結(jié)構(gòu)及熱性能進(jìn)行了分析研究，結(jié)果顯示，HAp/Col人工骨的相鄰孔徑之間相互貫通，而且發(fā)現(xiàn)這種骨的孔徑和人體中的骨頭尺寸極其相近，比較適合作為人工骨代替材料。另外，Col與HAp之間的配位交聯(lián)作用，有效地提高了復(fù)合骨中膠原的熱穩(wěn)定性[21]。

Pelin等采用改進(jìn)的溶膠-凝膠技術(shù)制備了注射式HAp/Col骨替代材料，該復(fù)合材料可以被長時間保存在無菌液體媒介中，而且不發(fā)生聚合也不會產(chǎn)生沉淀物質(zhì)。離心分離得到的巖漿作為骨傳導(dǎo)的注射組件，應(yīng)用于骨替代領(lǐng)域中[22]。

4 展望

近年來，nHAp/Col仿生復(fù)合材料一直是骨科領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)，因其良好的生物活性和骨傳導(dǎo)性，且具有無毒、無免疫原性、易降解等特性，被作為骨缺損的理想替代材料。今后，關(guān)于復(fù)合骨方面的研究應(yīng)繼續(xù)探索各種復(fù)合材料，并且優(yōu)化合成方法，改善其性

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.02.003

2017-03-24