纳米羟基磷灰石/胶原复合材料的研究进展

2017-03-07王鹏飞阮孝慈杨富帮

杭州化工 2017年2期

关键词：磷灰石胶原羟基

王鹏飞，阮孝慈，杨富帮

纳米羟基磷灰石/胶原复合材料的研究进展

王鹏飞，阮孝慈，杨富帮

（天津科技大学化工与材料学院，天津300457）

该文详述了几种纳米羟基磷灰石/胶原仿生复合材料的制备方法及应用，旨在为羟基磷灰石复合材料的研究提供更广阔的发展空间。

纳米羟基磷灰石；胶原；制备；复合材料

到目前为止，由于意外创伤等因素造成的骨缺损给许多人带来了极大的困扰，因此缺损骨的修复和重建成为目前骨科领域探究的热点。临床医学常使用自体骨、异体骨、异种骨和人工合成材料等作为主要的骨修复材料。但是，它们都有其本身的缺点。就自体骨而言，它的来源有限、塑形困难，更危险的是还会引起自体供骨区的多种并发症状；同种异体骨和异种骨均被人体视为抗原，极易发生排斥反应，造成骨融合率低，导致植骨失败[1]。因而，寻求理想的骨替代材料用于节段性骨损伤的生物性重建是现代医学骨科领域发展的首要任务。研究发现，人体的骨头主要是由有机成分和无机成分组成，且有机成分所占的比例远远高出无机成分，其中，有机成分中主要是胶原蛋白，无机成分则主要是羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HAp）和极少的氟磷灰石、碳酸磷灰石等[2]。总的来说，人体骨主要是由有机大分子的胶原蛋白和无机的低结晶度的纳米羟基磷灰石组成的复合物质，其中胶原蛋白有序地排列在羟基磷灰石周围并且呈三股螺旋结构方式排列。

作为骨损伤的修复材料，与天然骨不仅要在宏观结构上相似，在微观结构上也要保持一致。既要具有符合肌体条件的承载强度、组织韧性和材料可降解性，也要具有良好的生物活性和在骨诱导分子的作用下形成新骨的性能，这样可以确保仿生骨植入人体后能被人体接受，尽快修复好受损骨并且没有任何并发症，也可以承受一定压力。羟基磷灰石作为一种新型生物材料，能够满足生物相容性、骨传导性和骨诱导性这3个成骨要素。而且该物质还具有不含其他有毒元素，可以为人体组织提供必需元素钙和磷等优势。将复合骨植入人体后，显示出良好的韧性和抗压性，同时其组成成分中的钙和磷还会在人体体液的作用下游离出来，从而被人体吸收促进其新骨和其他组织的生长，而且还可以与自体骨组织形成化学键，融合成新骨组织的一部分。胶原（Collagen，Col）的加入，HAp与Col共同构建的仿生骨修复材料与天然骨的成分、结构和特性极其相近，将其再进一步改进然后用来修复骨缺损是极好的材料，因此，这种复合材料成为骨修复领域研究的重点。

当羟基磷灰石被制成纳米羟基磷灰石（nano-Hydroxyapatite，nHAp）时，其具有更加优良的性能。纳米羟基磷灰石具有的晶体结构和生物相容性，能显著地提高细胞的黏附和增殖性能。nHAp和其他形式的HAp由于物理化学性质和结构的不同，导致其再生性能和骨传导性能不同。研究发现，采用nHAp与Col构建形成的复合骨中，nHAp的性能得到了极大的改善。

1 合成方法

到目前为止，研究和制备nHAp/Col复合材料的文章和方法很多，每一种方法都有自己独特的优点。本文主要从以下几个方面阐述nHAp/Col复合材料的合成方法，通过研究不同的制备工艺，旨在寻求高力学性能、高生物活性的nHAp/Col复合材料的制备新方法，为复合材料的应用奠定基础。

1.1 共混法

酆波将10 g胶原溶于200 mL量浓度为0.5 mol/L的醋酸溶液中，振荡直至其充分溶解制成胶原凝胶溶液，另取H3PO4溶液（量浓度0.5 mol/L）和CaCl2溶液（量浓度0.5 mol/L）经水热合成制备nHAp，在低温条件下，将经过超声分散的nHAp的均匀浆液缓慢加入上述胶原凝胶基质中，同时加入适量的NaOH溶液（量浓度0.5 mol/L）调节pH至7.4，在此条件下充分搅拌12 h使其共混均匀，静置一段时间得白色沉淀，静压成型后制得nHAp/Col复合材料[3]。

Pohunkova等首先分别制备HAp与Col，然后根据共混原理在低温条件下将经超声波分散的水热合成的粉状HAp与中性Col凝胶液按质量比70/30尽可能地混合均匀。在pH=7.3、温度4℃的条件下加入戊二醛作为交联剂进行凝胶固化，充分洗涤后脱水干燥制得nHAp/Col复合材料[4]。此方法便于操作，但只是简单的机械混合，合成的复合材料中无机物和有机物难以形成分子水平上的紧密键合，与天然骨只是在成分上相似，而无法达到微观结构上的一致。

1.2 原位合成法

Lin等按HAp和Col的质量比70/30将（NH4）2HPO4和Ca（NO3）2溶液依次加入到中性胶原溶胶中，在pH为7.2±0.2，温度10℃以下搅拌反应一定时间后升温至30℃左右，静置保温16～20 h凝胶固化，充分洗涤干燥后按压成型，制得nHAp/Col复合材料[5]。原位合成法原理：利用分级控温来控制Col的自组装过程和纤维的形成，并以Col为模板在原位引导磷酸盐矿化。由于低温条件下胶原溶胶的黏度低、流动性能好，且含有大量的胶原单体分子和少量的纤维，当其与（NH4）2HPO4原料液混合时，能够形成分子水平上的紧密键合，此时再加入原料液Ca（NO3）2使得原位形成nHAp。胶原分子均匀地镶嵌于nHAp晶体基质中形成状态均一的溶胶，当温度升至一定温度时保温适当时间，胶原开始由分子单体聚合成丝状胶原纤维，随后丝状胶原纤维侧方聚合，形成直径和长度较大的胶原纤维束。低温形成均匀且长的纤维时，胶原分子与均匀分散在胶原分子周围的nHAp晶体通过自组装聚合形成nHAp/Col复凝胶块。挤压除水、洗涤干燥，保持此分散态到固态，从而制得nHAp均匀分布于胶原纤维基质中的仿生复合材料。

1.3 电化学沉积法

张超等根据材料自组装原理首先生成HAp前驱液，然后以Ⅰ型胶原分子为模板引导液体中钙磷盐的矿化，通过电化学沉积法合成了nHAp/Col复合材料。制备过程：向胶原溶液中加入一定质量的磷酸溶液，超声震荡使其混合均匀，在搅拌的过程中以2 d/s的速度滴加CaCl2溶液，并用NaOH溶液调节pH至7.0左右即可得到白色沉淀物，静置、抽滤、分离出沉淀，充分洗涤后冷冻干燥制得nHAp/Col复合材料[6]。

1.4 共滴定法

林晓艳等首先将胶原溶于H3PO4溶液中制得Col-磷酸水溶液，并称取一定量的氢氧化钙加入去离子水中，以恒定速度充分搅拌均匀后，过滤得澄清的饱和氢氧化钙上清液。然后用电子蠕动装置将所制饱和氢氧化钙上清液和Col-磷酸溶液按摩尔比Ca/P=1.67同时滴加到装有1 000 mL去离子水的大烧杯中，控制反应的pH为8.0，温度为37℃。此条件下搅拌老化18 h，pH降至7.0，经过离心分离、洗涤沉淀、冷冻干燥、静压成型后可以制成柱状复合材料。分别用XRD、TEM、SEM和FTIR对复合材料的微观组成和晶体结构进行检测分析，并采用微机控制电子万能实验机对复合材料的物理抗压强度进行试验测试[7]。

Kikuchi等采用水化法以CaO为原料制备得到Ca（OH）2悬浊液，将其与Col-磷酸水溶液同时滴加到盛有去离子水的反应容器中，并且持续搅拌，温度控制在40℃，pH为8～9，经过一段时间后有白色沉淀生成，需要持续养护24 h后再进行分离、洗涤和干燥即可得到复合材料[8]。反应条件的确立依据：在温度升高到一定程度时，Col会释放出结合水。在pH呈现弱碱性时，Col的Zeta电势趋近于零，极易发生团聚形成沉淀，这样有利于HAp纳米晶体的稳定生成。Col的这些化学性能恰好符合细胞成骨的必要条件，而且还可以使复合材料自发地组织形成一定的结构与形状[9]。然而，此方法仍存在不足之处，即应用CaO水化制备饱和Ca（OH）2上清液时，实际操作中其反应产率无法达到100%，未参与反应的Ca（OH）2固体颗粒进入复合材料后不易去除，会影响材料的综合性能。

王振林等根据生物矿化原理，利用材料自组装技术先分别制备氢氧化钙悬浮液和胶原/磷酸混合液，再分别转移至800 mL的分液漏斗中。在高速运转的电动搅拌器的搅拌下共同滴加到预先盛有500 mL蒸馏水的反应容器中，反应过程中控制温度在40℃，pH为9，生成白色沉淀后继续养护12 h。移去上清液，将下层沉淀用蒸馏水反复洗涤3次，抽滤、室温下晾干即可[10]。

1.5 模拟生理环境浸泡法

Zhang Li-Juan等利用胶原表面带电功能团对HAp的成核作用，先用蒸馏水配制1.5倍离子浓度的模拟体液，其pH调至7.4，然后在温度37±0.5℃下将胶原膜浸泡于该模拟体液中数天后制备得HAp/Col仿生复合膜材料[11]。该制备方法通过缓慢矿化在一定程度上实现了对材料成分和结构的仿生，但需要较长时间的培养，而且不易控制材料中HAp与Col的比例，无法达到骨骼的原位复合。

1.6 静电纺丝技术法

静电纺丝技术是利用聚合物溶液或熔融状态时在强电场中形成的喷射流，从而进行纺丝的过程。由于纳米超细纤维长丝的连续制备，且分布均匀，具有良好的生物相容性，已成为组织工程支架材料制备方法研究的热点。Teng等先用共滴定法合成HAp，然后将HAp加入胶原-六氟丙醇溶液中，搅拌24 h。将混合溶液装入注射器，在高静电场15 kV/12 cm，以0.2 mL/h的速度喷射向铝箔板，电纺过程约10 h。采用这种方法制备复合材料时，nHAp沿着胶原纤维定向形成，均匀分布在胶原分子三股螺旋结构中，使得复合材料结构均匀连续[12]。

综上所述，不同制备方法对比可知，原位合成法是利用仿生原理制备HAp/Col复合材料，在成分和结构上与天然骨相似，且制备工艺简单，所需反应时间短，是一种理想的合成方法。

2 结构特点

作为原生骨组成中主要的无机矿化基质，HAp具有独特的生物性能和易融入骨组织固定成骨的特点，是一种理想的硬组织骨损伤替代材料[13]，但其强度低且韧性差，无法达到承载部位的物理性能要求，限制了其在骨缺损修复中的应用。胶原分子的三股螺旋结构和互相联系的多孔结构及骨细胞亲和性是其作为骨修复材料的优点，但胶原性软，缺乏力学的完整性，无法成为硬骨组织的替代材料。随着研究的深入，人们根据仿生学原理并结合人体组织的新陈代谢过程构建了nHAp/Col复合材料，其具有天然骨的宏观结构又模仿了其微观特性，实现了单一材料优势互补。而且该复合材料无毒性、无抑菌作用，不会引起溶血，不含热源物质，临床使用安全可靠[14]。总之，nHAp/Col仿生复合材料具有无免疫原性、快速的生物降解性、优良的骨相容性和高效的骨传导性等特点，便于血管与细胞的长入。纳米HAp晶体能够被高效地利用成骨，与胶原复合后使其成骨效率更高，有利于骨缺损的修复重建，具有很好的应用前景[15]。

3 应用

目前，nHAp/Col复合材料主要应用于牙周组织的再生修复[16]和牙槽骨缺损的修复[17]及节段性骨缺损的修复。Hu Qing-liu通过制备仿松质骨的nHAp/ Col人工骨，并将其移植在动物体内，研究复合材料是否可以用于修复动物股骨头缺损或者坏死。结果表明，该复合人工骨可作为移植骨有效地替代体内坏死的骨细胞，抑制股骨头坏死的发展进程，有望成为临床治疗早期股骨头坏死的新疗法[18]。

田卫东等利用胶原特有的黏附性与颗粒型的HAp制备复合人工骨，并将其植入有骨缺损的动物下颌，用于探究此复合人工骨的组织相容性及骨缺损修复功能，结果表明，该HAp/Col复合人工骨具有良好的组织相容性以及生物降解性，其中胶原在植入后8至16周被完全吸收，并据此提出了“多中心成骨”的修复机理[19]。Pek等通过简单混合的方法制备了nHAp/Col多孔复合骨修复材料，研究表明，所制复合材料的结构性能与骨皮质在松质骨内的延伸部分十分相似，而且具有比较好的生物活性和生物降解性，已广泛应用于动物骨缺损的修复实验[20]。

周晓媛等通过各种表征和灰分测试对人工骨的结构及热性能进行了分析研究，结果显示，HAp/Col人工骨的相邻孔径之间相互贯通，而且发现这种骨的孔径和人体中的骨头尺寸极其相近，比较适合作为人工骨代替材料。另外，Col与HAp之间的配位交联作用，有效地提高了复合骨中胶原的热稳定性[21]。

Pelin等采用改进的溶胶-凝胶技术制备了注射式HAp/Col骨替代材料，该复合材料可以被长时间保存在无菌液体媒介中，而且不发生聚合也不会产生沉淀物质。离心分离得到的岩浆作为骨传导的注射组件，应用于骨替代领域中[22]。