新型纳米骨组织工程支架材料成分性能分析

新型纳米骨组织工程支架材料成分性能分析

张可夫1王涛2

张可夫1王涛2

（1四川大学华西口腔医学院四川成都610041；2海南省人民医院海南海口570311）

【中图分类号】R681【文献标识码】A【文章编号】1672-5085（2011）31-0047-03

【摘要】目的测定新型多孔纳米双相磷酸钙陶瓷支架材料成分及物理特性。方法用TEM、XRD、SEM分析其物相，HA粒子大小，孔径及孔隙率，用电子万能材料机进行抗折、抗压强度测定。结果该陶瓷材料是一种符合骨组织工程支架材料的要求，并十分具有发展和应用前途的骨组织修复材料。

【关键词】纳米材料支架材料磷酸钙陶瓷骨组织工程物理特性

各种原因造成的组组织缺损是临床治疗的难点之一，尽管临床已用自体及异体骨移植进行治疗，但因组织来源少、存在免疫排斥反应、继发感染以及早吸收等缺点而限制了其应用。20世纪80年代末，组织工程学的兴起为骨组织的缺损修复开辟了新的途径。组织工程学是利用工程学和生命科学的原理和技术，在体外预先构建一个有生命的细胞-生物材料复合体，以修复各种组织缺损，作为骨组织修复材料，羟基磷灰石（Hydroapatite,HA）是构成人体骨组织的主要无机成分，占人体骨69%比重的磷酸钙盐类主要以纳米HA结晶的形式存在，并沿一定方向分布在约20%比重的胶原网络中（其余为水）[1]。HA也是植骨代用品中研究最为成熟的生物材料之一，作为骨组织工程支架材料，HA具有良好的骨引导性，能与骨组织形成骨性结合，缺点是体内降解极慢,影响新骨的形成与改建。为此改进的方案有二：（1）加入可降解的β-磷酸三钙（β-tricalciumphosphate,β-TCP）制备双相钙磷陶瓷（biphasiccalciumphosphate,BCP）；（2）制备纳米HA材料。纳米陶瓷材料具有小尺寸效应及表面或界面效应使其呈现出与传统陶瓷显著不同的独特性能,由于比表面积的增加，其引导组织细胞的能力和生物降解性增强。可显著提高HA晶体的溶解性从而加快其降解性。

本课题采用四川大学口腔生物医学工程教育部重点实验室制备的纳米双相磷酸钙陶瓷（NanoBCP），研究其成分、孔隙结构、抗折、抗压强度，为其进一步利用奠定实验基础。

1材料与方法

1.1材料NanoBCP20块，NaHA粉末5g（四川大学口腔疾病国家重点实验室提供）。

1.2方法

1.2.1用TEM，XRD，SEM分析其物相，测量HA粒子大小，NanoBCP孔径大小。

1.2.2孔隙率测定应用直接法测试NanoBCP孔隙率。随机选取不同孔径大小NanoBCP材料10块，制成规则的圆形形状，游标卡尺测量试件直径，分别计算出其表观体积（Vb）。再将试件磨成粉末后压制成块状，测量并计算出其实体体积（Vs）。孔隙所占体积Vk=Vb-Vs。孔隙率Φ=(Vk/Vb)×100%。

1.2.3抗折、抗压强度测定（四川大学分析测试中心）,参考GB/T6569-1986及GB/T8489-1987标准置样，采用日本岛津公司的（AG-10TA）电子万能材料机检测。抗折强度σ=3PL/2WT2，抗压强度σ=P/WT，P为断裂载荷，L为跨距，W为试件宽度，T为试件厚度。

2结果

2.1纳米材料粉体的表征

由（附图1-1）HA粉体的TEM照片可见,所得HA粒子呈短棒状,大小均匀,分散性好,平均长约30～50nm,直径约10～15nm。HA粉体XRD分析见图A，各衍射峰尖锐清晰，与粉末衍射联合会国际数据中心（JCPDS-ICDD）提供的HA标准图谱一致，表明常温常压下可以获得纯度较高的NanoHA晶体。

2.2NanoBCP材料X-射线衍射分析结果(图B):矿物组成为HA、β-TCP。

2.3孔隙率测定结果10个试件孔隙率测定结果分别为64.0%、71.8%、75.4%、65.13%、72.7%、64.8%、68.6%、73.39%、81.6%、77.48%，x±s=(71.49±5.86)%。孔隙率60-80%,交通丰富。

2.4抗折、抗压强度测试结果NanoBCP抗折强度测试结果为4.6Mpa，NanoBCP抗压强度测试结果8.5Mpa。

3讨论

纳米技术是90年代以来得到迅速发展的崭新的研究领域，由于纳米粒子具有表面效应、小尺寸效应及量子效应等独特的性能，使纳米材料呈现出无限广阔的应用前景。有学者[2]发现发现纳米羟基磷灰石粒子较普通的羟基磷灰石具有更强的生物活性，HA颗粒越小，骨植入体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度就越高、疲劳抗力也相应提高，因此合成纳米级的HA将有利于改善骨植入体的力学性能。

人们已经开发出多种方法来制备纳米HA,如水解法、水热反应法、溶胶-凝胶法及最近发展的微乳液法和火焰喷雾热解法等[3～7],水热反应法需要高温高压，条件苛刻，且设备昂贵，溶胶凝胶法存在胶状沉淀洗涤过滤困难，胶块不容易干燥，成本也较高，其中化学沉淀法制备过程简单,成本低,易于推广到工业化生产。四川大学口腔生物医学工程教育部重点实验室提供采用化学沉淀法制备的HA粒子呈短棒状,大小均匀,分散性好,平均长约50nm～80nm,直径约20nm～40nm。

一般认为骨组织工程支架骨支架材料除需具备无毒、生物相容性好、具有多孔性等普遍性特点外,还要求有一定大小的孔隙率和孔径。孔径的范围大小及通连影响营养物质的输送、细胞的黏附和组织的长入。支架材料孔径具体多大为适宜，目前仍有争议。在体外悬浮液中，成骨细胞的直径约20μm，附着时直径约30μm，故一个成骨细胞占据的面积约为700μm。所以一般认为，孔径小于100μm时骨长入受限[8]。正常生理骨的骨皮质孔径1～100μm，而骨松质的孔径200～400μm大小[9]。

目前研究表明有利于骨细胞长入的多孔骨修复材料的孔径一般在100～600μm之间，平均孔径在150μm以上[7]。在此条件下骨形成量多且不影响其力学强度，另外还要求一定的机械强度:一般以小梁骨为参照,其抗压强度应大于5Mpa[10]。孔隙率对骨修复材料的成骨具有重要的作用，一般而言，孔隙率大有利于提高比表面积，促进骨细胞长入，但降低了材料的强度。正常成人生理骨皮质孔隙率为5-30%，骨松质的孔隙率为30～90%。所以一般要求骨支架材料的孔隙率要达60%～80%以上。Ishaug-Rileg[11]认为150～300μm和500～710μm孔径培养细胞时在增殖、碱性磷酸酶活性及矿化组织间没有统计学上的差别。也有文献[11]报道当材料内部孔隙的直径在39-78µm时，纤维组织可长入，当材料内部的孔隙的直径大于78µm时，则纤维和骨组织可同时长入。

本课题采用的NanoBCP是一种新型生物材料，孔径相差较大，大小约100µm-400µm，孔隙率60-80%，交通丰富。符合骨组织工程支架的一般要求。NanoBCP抗压强度8.5MPa，与松质骨类似。其抗折强度4.6Mpa,虽然小于皮质骨抗折强度，考虑与孔隙较大及孔隙率较高有关。但应用合理的固定技术后，仍然可用于骨缺损修复，作为骨支架材料，植入体内后随着种子细胞的成骨作用，其抗折强度也会逐渐提高。

综合以上研究，作为纳米骨组织支架材料的代表，纳米双相钙磷生物陶瓷的性能特点符合骨组织工程支架材料的要求，是十分具有发展和应用前途的骨组织修复材料。

参考文献

[1]HenchLL.Bilmaterial:aforecastforthefuture[J].Biomaterials,1998,19(16):1419-1423.

[2]SamarJ.Kalita,AbhilashaBhardwajandHimeshA.Bhatt.Nanocrystallinecalciumphosphateceramicsinbiodicalengineering[J].Mater.Sci.Eng.,C,2007,27(3):441-9.

[3]KongLK,GaoY,CaoWL,etal.Preparationandcharacterizationofnano-hydroxyapatite/chitosancompositescaffolds[J].J.Biomed.Mater.Res.,2005,75A(2):275-82.

[4]KongLB,MaJ,BoeyF.Nanosizedhydroxyapatitepowdersderivedfromcoprecipitationprocess[J].MaterSci,2002,37(6):1131-1134.

[5]WangYF,YanYH,LiangF,etal.Preparationofneedlelikehydroxyapatitesinglecrystalbyhomogeneousprecipitationmethodunderhydrothermalcondition[J].BulletinoftheChineseCeramicSociety,2001,2:30-34.

[6]ShuaiC,GaoC,NieY,etal.StructuraldesignandexperimentalanalysisofaselectiveLasersinteringsystemwithNano-Hydroxyapatitepowder[J].JBIOMEDNANOTECHNOL.2010,6(4):370-374.

[7]JungS,YouNK,HyeYK,etal.Synthesisofnano-sizedbiphasiccalciumphosphateceramicswithsphericalshapebyflamespraypyrolysis[J].J.Mater.Sci.-Mater.Med.2010.21(4):1143-1149.

[8]李玉宝主编.纳米生物医药材料.北京：化学工业出版社.2004，39-40.

[9]KlawitterJJ:ABasicInvestigationofBoneGrowthinPorousMaterials.PhDThesis.Clemson,ClemsonUniversity1979.

[10]王小红.骨修复材料的研究进展[J].生物医学工程学杂志,2001,18(4):647-652.

[11]Ishaug-RileySL,GraneGm,GurlekA,etal.Ectopicboneformationbymarrowstromalosteoblasttransplantationueingpoly(DL-lactic-coglycolicacid)foamsimplantedintotheratmesentery[J].BiomedMaterRes,1997,36:1-8.