納米TCP 顆粒在骨修復(fù)用復(fù)合材料中分散性的研究進(jìn)展*

劉來(lái)俊 張?zhí)焯?丁雯 王富軍 王璐*

由于疾?。ü莿?chuàng)傷、骨組織炎癥及骨腫瘤切除等）、意外事故、人口老齡化等原因造成的骨組織缺損的病例日趨增多，目前常用的異體骨移植、自體骨移植等方法在不同程度上仍存在來(lái)源極為有限（自體骨）、免疫排斥反應(yīng)（異體骨）等問(wèn)題。故尋求性能優(yōu)良的骨修復(fù)材料已成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的新目標(biāo)[1]。作為骨修復(fù)材料，應(yīng)具有良好的力學(xué)性能、生物相容性、骨傳導(dǎo)性以及骨誘導(dǎo)性，以滿(mǎn)足臨床應(yīng)用時(shí)對(duì)材料功能性的需求[2]。

磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP，有-TCP 和-TCP 之分）無(wú)機(jī)材料因其成分與骨礦物組成類(lèi)似，同時(shí)具有良好的生物相容性、骨誘導(dǎo)性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[3]。另外，其降解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于羥基磷灰石（HA），在植入期間能更有效地促進(jìn)新骨的形成[4-5]。但單獨(dú)作為骨修復(fù)材料使用時(shí)，TCP 存在脆性大、韌性差及模量過(guò)高等缺陷，限制了其在骨科方面的臨床應(yīng)用[6]。為了滿(mǎn)足骨組織修復(fù)對(duì)材料力學(xué)性能和生物學(xué)性能的要求，人們對(duì)nano-TCP 顆粒與可吸收高聚物(如PLGA、PLA、PLLA 等)的復(fù)合材料展開(kāi)了研究[7-8]，發(fā)現(xiàn)nano-TCP/可吸收高聚物復(fù)合材料在植入?yún)^(qū)的骨誘導(dǎo)性能明顯提高[9-10]。同時(shí)，nano-TCP 的降解產(chǎn)物呈堿性：一是可以有效地緩解可吸收高聚物降解產(chǎn)生的局部酸性問(wèn)題，從而降低組織炎癥的發(fā)生概率；二是可以減緩高聚物降解時(shí)的“自催化”作用，調(diào)控復(fù)合材料的降解速率[11]。但是，由于nano-TCP 顆粒的尺寸小，表面能高，使得顆粒之間易于團(tuán)聚，在高聚物基體中形成一個(gè)個(gè)體積較大的團(tuán)聚體，造成nano-TCP/可吸收高聚物復(fù)合材料性能的惡化，從而無(wú)法滿(mǎn)足臨床上的應(yīng)用需求[12]。為此，本文從nano-TCP 顆粒分散性的研究意義、團(tuán)聚原理以及改善分散性的方法3 個(gè)方面進(jìn)行文獻(xiàn)綜述與討論，期望為進(jìn)一步改善nano-TCP/可吸收高聚物納米復(fù)合材料的應(yīng)用性能提供參考。

1 nano-TCP 顆粒分散性的研究意義

盡管nano-TCP/可吸收高聚物復(fù)合材料在治療骨組織缺損上有諸多優(yōu)勢(shì)，但術(shù)后仍可能出現(xiàn)材料力學(xué)性能不足、降解速率與新骨生成速率不匹配、組織炎癥等問(wèn)題[8]。Barber等[13]針對(duì)668 名采用-TCP/PLGA 界面螺釘修復(fù)膝關(guān)節(jié)或肩關(guān)節(jié)韌帶的患者進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)28 個(gè)月的隨訪(fǎng)記錄，其中12%的患者出現(xiàn)了關(guān)節(jié)松弛、囊腫等相關(guān)并發(fā)癥。術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，如若處理不及時(shí)，將可能直接導(dǎo)致手術(shù)失敗，因此這一問(wèn)題不容忽視。

nano-TCP 顆粒由于其特殊的納米表面性質(zhì)，在可吸收高聚物基體中容易發(fā)生團(tuán)聚，受負(fù)荷時(shí)易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，使復(fù)合材料在植入期間力學(xué)性能過(guò)早失效[8]。同時(shí)，材料也無(wú)法均勻的地降解，進(jìn)而無(wú)法持續(xù)有效地維持植入?yún)^(qū)pH 值的穩(wěn)定，對(duì)骨組織的修復(fù)產(chǎn)生不利影響[10]。Ma 等[14]用改性的方法來(lái)提高-TCP 納米顆粒在PLLA 基體中的分散性。通過(guò)對(duì)比改性前后相同-TCP含量的納米復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，改性后材料的彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度均提高10%～20%。Balac 等[15]通過(guò)有限元（FE）分析研究了無(wú)機(jī)顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)其增強(qiáng)高聚物復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中的最大應(yīng)力集中系數(shù)隨著無(wú)機(jī)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，說(shuō)明團(tuán)聚體對(duì)納米復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生了不利的影響。Bennett 等[16]研究了不同尺寸的-TCP 顆粒對(duì)復(fù)合材料在體內(nèi)的降解速率及宿主反應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)相同-TCP 含量的納米復(fù)合材料比微米復(fù)合材料降解更均勻，植入?yún)^(qū)pH 值更接近中性，這與Yang 等[17]的研究結(jié)果相類(lèi)似。另外，Bennett 等將納米復(fù)合材料與微米復(fù)合材料植入到羊股骨遠(yuǎn)端髁突缺損處，分別在植入后的第6、12、18 和24 周使用組織學(xué)圖像的視覺(jué)評(píng)分和X 射線(xiàn)圖像的半自動(dòng)分割來(lái)量化植入物的降解和植入部位新骨組織的生長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)納米復(fù)合材料的體內(nèi)降解速率比微米復(fù)合材料慢，與新骨生長(zhǎng)速率更匹配。Smoak 等[18]研究了含有不同尺寸-TCP 顆粒的復(fù)合材料對(duì)人脂肪干細(xì)胞（human adipose-derived stem cell,hASCs）行為的影響。發(fā)現(xiàn)相同-TCP 含量的微米復(fù)合材料與納米復(fù)合材料相比，細(xì)胞毒性較大、成骨性能較差。這些都間接說(shuō)明具有較小顆粒尺寸的復(fù)合材料的降解性能及骨誘導(dǎo)性能更優(yōu)越。

綜上所述，可以看出nano-TCP 顆粒在可吸收高聚物基體中的分散性顯著地影響復(fù)合材料的力學(xué)性能、降解性能以及骨誘導(dǎo)性能，是一個(gè)亟待研究的重要問(wèn)題。

2 nano-TCP 顆粒團(tuán)聚原理

nano-TCP 顆粒團(tuán)聚是指其在制備、分離、處理及存放過(guò)程中相互連接、由多個(gè)顆粒形成較大的顆粒團(tuán)簇的現(xiàn)象。造成顆粒團(tuán)聚的原因主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 納米顆粒的表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)

表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)是指由于納米顆粒的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。nano-TCP 顆粒具有很高的比表面積，且顆粒越小，表面的原子數(shù)量就越多。當(dāng)粒徑降至10 nm 時(shí)，表面原子比例高達(dá)90%以上，原子幾乎全部集中到顆粒的表面，處于高度活化狀態(tài)，導(dǎo)致表面原子配位數(shù)不足和高表面能，從而使這些原子極易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，導(dǎo)致顆粒相互聚集，體積變大[19]。

2.2 布朗運(yùn)動(dòng)

在制備nano-TCP/可吸收高聚物復(fù)合材料時(shí)，一般會(huì)采用磁力攪拌[14]或超聲分散[20]的方法將nano-TCP 顆粒分散在溶劑中，在此過(guò)程中因溶劑分子會(huì)對(duì)nano-TCP 顆粒產(chǎn)生不平衡沖力的碰撞而使其做布朗運(yùn)動(dòng)，即nano-TCP 顆粒與溶劑的碰撞使得顆粒具有與周?chē)w粒相同的動(dòng)能，因此體積較小的顆粒運(yùn)動(dòng)較快，納米顆粒在做布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)彼此會(huì)經(jīng)常碰撞到，由于吸引作用，它們會(huì)連接在一起，形成二次顆粒。二次顆粒的速度比單一顆粒要慢，但仍有機(jī)會(huì)與其他顆粒發(fā)生碰撞，進(jìn)而形成更大的團(tuán)聚體，直至大到無(wú)法運(yùn)動(dòng)而沉降下來(lái)[21]。

2.3 范德華力和氫鍵的作用

懸浮在溶液中的nano-TCP 顆粒普遍受到范德華力的作用。范德華力與粒徑成反比，納米顆粒由于尺寸小，因而相互間具有較強(qiáng)的范德華力作用，當(dāng)范德華引力遠(yuǎn)大于顆粒自身的重力時(shí)，納米顆粒之間會(huì)通過(guò)表面分子或原子的范德華力相互吸引，形成團(tuán)聚體。nano-TCP 顆粒是由剛性、實(shí)心、極細(xì)的球狀顆粒組成，由于比表面積大，極易吸附空氣或溶劑中的水分子，在表面形成一層富含羥基（—OH）的吸附水膜，鄰近的—OH 之間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的氫鍵作用，而使顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚[22]。另外，帶有吸附水的nano-TCP 顆粒之間會(huì)形成細(xì)頸狀液橋，液橋的中央與兩端有一定正壓差，使顆粒相互黏附聚集[23]。

2.4 靜電排斥穩(wěn)定作用（DLVO 理論）

DLVO 理論認(rèn)為，膠體中納米顆粒的穩(wěn)定性取決于顆粒間的范德華力引力勢(shì)能VA與顆粒因表面雙電層排斥而產(chǎn)生的靜電斥力勢(shì)能VR之間的平衡[24]。nano-TCP 顆粒表面帶有電荷時(shí)，溶液中的一些帶相反電荷的離子靠庫(kù)侖力被緊密吸附在顆粒的表面而構(gòu)成吸附層，從而形成雙電層，產(chǎn)生了Zeta 電位。Zeta 電位越高，顆粒的雙電層產(chǎn)生的靜電斥力就越大，從而使顆粒更容易分散。對(duì)于nano-TCP 顆粒來(lái)說(shuō)，當(dāng)溶液的pH 值為6.7±0.1 時(shí)出現(xiàn)等電點(diǎn)[25]。而在等電點(diǎn)附近，Zeta 電位為0 mV，顆粒之間沒(méi)有靜電排斥力。當(dāng)排斥力小于范德華引力時(shí)，顆粒之間以引力為主，將發(fā)生團(tuán)聚。

3 nano-TCP 顆粒分散性的改進(jìn)方法

在制備nano-TCP/可吸收高聚物復(fù)合材料時(shí)，由于nano-TCP 顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚，使得自身的納米特性無(wú)法正常發(fā)揮，同時(shí)，還會(huì)影響復(fù)合材料的綜合性能。因此，為了降低nano-TCP 顆粒的團(tuán)聚尺度，提高其在可吸收高聚物基體中的分散性，采用有效的分散技術(shù)是十分必要的。除了常規(guī)的超聲波分散[20]、機(jī)械外力（如剪切力）分散[26]外，對(duì)nano-TCP 顆粒表面進(jìn)行改性的研究也有很多。

3.1 物理改性

物理改性是指通過(guò)范德華力、氫鍵等分子間作用力將無(wú)機(jī)或有機(jī)改性劑吸附在nano-TCP 顆粒表面，在表面形成包覆層，從而降低表面張力，減少納米顆粒間的團(tuán)聚，達(dá)到均勻穩(wěn)定分散的目的。

表面活性劑分子中含有2 類(lèi)性質(zhì)截然不同的官能團(tuán)：一類(lèi)是極性基團(tuán)，具有親水性；另一類(lèi)是非極性基團(tuán)，具有親油性[27]。表面活性劑的極性基團(tuán)易于定向吸附在nano-TCP 顆粒表面，從而使得顆粒的表面性質(zhì)發(fā)生顯著變化，當(dāng)與可吸收高聚物基體復(fù)合時(shí)，提高了納米顆粒在基體中的分散性。Mirjalili 等[28]探究了表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)對(duì)-TCP/CNT 納米復(fù)合材料形態(tài)的影響。通過(guò)SEM及TEM 觀察發(fā)現(xiàn)SDBS/ -TCP/CNT 納米復(fù)合材料呈規(guī)則形狀的良好分散，說(shuō)明SDBS 的添加有利于顆粒的分散性的提高。

另外，表面沉積法在改性納米顆粒上也有運(yùn)用，即通過(guò)溶液蒸發(fā)或靜電作用在無(wú)機(jī)納米顆粒的表面沉積一層與表面無(wú)化學(xué)結(jié)合的異質(zhì)包覆層，從而改變顆粒原有的表面性質(zhì)，提高無(wú)機(jī)納米顆粒在可吸收高聚物基體中的分散性。但運(yùn)用此種方法改性nano-HA 的報(bào)道較多，對(duì)nano-TCP 卻鮮有報(bào)道[29]。

3.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是指在nano-TCP 顆粒表面與改性劑之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)吸附，從而改變納米顆粒表面的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，達(dá)到均勻分散的目的。目前，常用的手段是使用偶聯(lián)劑、有機(jī)酸或低分子量的聚合物來(lái)修飾nano-TCP 顆粒表面，通過(guò)提高顆粒表面的疏水性來(lái)改善其在可吸收高聚物基體中的分散性。

3.2.1 偶聯(lián)劑改性

偶聯(lián)劑是一種表面活性劑，是具有兩性結(jié)構(gòu)（極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)）的物質(zhì)，其中的一部分基團(tuán)（親水基團(tuán)）可與nano-TCP 顆粒表面的某種官能團(tuán)反應(yīng)，形成強(qiáng)有力的化學(xué)鍵合，從而改變顆粒的表面性質(zhì)，當(dāng)與可吸收高聚物基體復(fù)合時(shí)，偶聯(lián)劑的另一部分基團(tuán)（疏水基團(tuán)）的存在可提高nano-TCP 顆粒在高聚物基體中的分散性[30]。Bareiro 等[31]采用正硅酸乙酯（TEOS）作偶聯(lián)劑對(duì)-TCP 納米顆粒進(jìn)行改性，并與聚二甲基硅氧烷樹(shù)膠（PDMS）混合制備納米復(fù)合材料。通過(guò)靜態(tài)接觸角、SEM 及TEM 測(cè)試發(fā)現(xiàn)，TEOS 改性-TCP 納米顆粒后提高了顆粒表面的疏水性，使-TCP 納米顆粒在PDMS 基體中的分散性得到明顯提高。

3.2.2 表面酸處理

nano-TCP顆粒表面有大量的懸掛鍵，極易水解生成—OH。因此，其具有較強(qiáng)的親水極性表面，易產(chǎn)生氫鍵、共價(jià)鍵、范德華力等來(lái)吸附周邊顆粒，發(fā)生團(tuán)聚[22]。利用有機(jī)酸（如硬脂酸、棕櫚酸等）進(jìn)行表面改性使得nano-TCP 顆粒變?yōu)橛H有機(jī)疏無(wú)機(jī)的表面，有利于其在可吸收高聚物基體中均勻分散。Ma 等[14]采用硬脂酸對(duì)-TCP 納米顆粒進(jìn)行表面改性，并與PLLA 混合制得納米復(fù)合材料。并發(fā)現(xiàn)硬脂酸以[CH3(CH2)14COO-]-Ca2+-[CH3(CH2)14COO-]共價(jià)鍵的方式附著在-TCP 顆粒表面，形成一層疏水的包覆膜，通過(guò)對(duì)-TCP/PLLA 納米復(fù)合材料斷面的SEM 圖觀察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)表面改性處理的-TCP 在PLLA 基體中易團(tuán)聚，形成多孔的大顆粒，經(jīng)硬脂酸改性處理后的-TCP 在基體中分散均勻，斷面上的-TCP 微粒被基體緊密包裹，提高了-TCP 在基體中的分散性。Li 等[32]采用棕櫚酸對(duì)-TCP 納米顆粒進(jìn)行表面改性，得出與文獻(xiàn)[14]相類(lèi)似的結(jié)論。

3.2.3 表面接枝改性

表面接枝改性是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將高分子聚合物鏈接枝到nano-TCP 顆粒的表面，從而改變納米顆粒的表面性質(zhì)，提高其在可吸收高聚物基體中的分散性。Zou 等[33]先將低分子量的PLLA（LMW PLLA，M=9000）在pH=11 的堿性溶液中水解1 h，以引入更多的羥基（—OH），然后將其接枝到-TCP 納米顆粒表面（接枝反應(yīng)見(jiàn)圖1），并與高分子量的PLLA（M=30×104）進(jìn)行混合制得納米復(fù)合材料。通過(guò)FTIR、XRD 測(cè)試發(fā)現(xiàn)LMW PLLA 成功接枝在-TCP 納米顆粒表面并且沒(méi)有改變顆粒的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)靜態(tài)接觸角及SEM 測(cè)試發(fā)現(xiàn)，LMW PLLA 接枝到-TCP 納米顆粒表面后提高了顆粒表面的疏水性，使-TCP 納米顆粒在PLLA 基體中的分散性得到明顯提高。

圖1 -TCP 納米顆粒接枝改性

目前，對(duì)nano-TCP 顆粒改性以期提高其在可吸收高聚物基體中分散性的研究相較于nano-HA 要少，主要原因是nano-TCP 顆粒表面可供修飾的活性位點(diǎn)（—OH）較少。因此，可對(duì)nano-TCP 顆粒進(jìn)行高能處理，如用高能輻射、高能電暈放電、紫外線(xiàn)、等離子射線(xiàn)等方法來(lái)增加nano-TCP顆粒的表面活性位點(diǎn)，為進(jìn)一步對(duì)nano-TCP 顆粒表面改性提供方便[34]。另外，也可以對(duì)可吸收高聚物進(jìn)行修飾（如在分子鏈上接枝單體或基團(tuán)），改變高聚物的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)nano-TCP 顆粒在可吸收高聚物基體中的均勻分散[35]。

4 結(jié)論與展望

隨著骨組織工程技術(shù)的發(fā)展，nano-TCP/可吸收高聚物復(fù)合材料被越來(lái)越多地運(yùn)用到骨缺損的修復(fù)中并取得良好的臨床效果。但因nano-TCP 顆粒團(tuán)聚而引起修復(fù)材料力學(xué)性能不足、局部組織炎癥等問(wèn)題仍然沒(méi)有得到很好的解決，使得nano-TCP/可吸收高聚物復(fù)合材料在骨缺損修復(fù)手術(shù)中的應(yīng)用受到限制。為了提高nano-TCP/可吸收高聚物復(fù)合材料的應(yīng)用性能，充分發(fā)揮nano-TCP 顆粒的納米特性，進(jìn)一步完善nano-TCP 顆粒的改性機(jī)理、改性方法及改性效果的表征是未來(lái)的研究重點(diǎn)。另外，改性可吸收高聚物以實(shí)現(xiàn)nano-TCP 顆粒的良好分散也具有重大的研究?jī)r(jià)值。