以PCL和PVA為基體的羥基磷灰石(HA)的生長、結(jié)構(gòu)、性能及生物活性的研究.pdf

1、35億年的生命演化過程優(yōu)化了生物體的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能，是取之不竭的知識寶庫。仿生就是學(xué)習(xí)和研究自然界的內(nèi)在規(guī)律，并從中獲得解決問題的辦法。骨骼是有序排列的膠原纖維和取向的納米羥基磷灰石形成的有生命的復(fù)合材料，骨材料的復(fù)雜多級結(jié)構(gòu)給研究骨仿生材料提供了許多啟示。本文選擇有優(yōu)異生物相容性和力學(xué)性能的聚已內(nèi)酯(PCL)和聚乙烯醇(PVA)為基體，采用模擬體液法和交互浸漬法制備羥基磷灰石/聚已內(nèi)酯(HA/PCL)和羥基磷灰石/聚乙烯醇

2、(HA/PVA)仿生骨材料，靜電紡絲法制備HA/PCL支架，分析了在不同條件下形成的HA的結(jié)構(gòu)，形態(tài)和組成，考察了HA/PCL，HA/PVA復(fù)合材料以及HA/PCL支架的生物相容性。
　　 首先用模擬體液法制備了HA/PVA復(fù)合膜材料。采用預(yù)先對PVA膜進(jìn)行Ca溶液和P溶液的交互處理(Ca-P處理)，然后在1.5SBF中浸泡1～3天，在短時間內(nèi)就能在PVA表面沉積出大量HA，3天在PVA膜表面沉積的HA厚度可達(dá)0.5μm。而未經(jīng)

3、Ca-P處理的PVA膜即使經(jīng)過長時間在1.5SBF中浸泡也沒有HA形成。在1.5SBF中添加了不同有機(jī)組分(如檸檬酸、膠原蛋白和三磷酸腺苷(ATP))來模擬體液中的部分有機(jī)組分，發(fā)現(xiàn)膠原蛋白和檸檬酸都能促進(jìn)HA在PVA膜表面的生長，而ATP難以促使HA的產(chǎn)生。對所形成的HA經(jīng)過XRD和紅外分析，證實(shí)了它們的結(jié)構(gòu)，基本為含有C032-的且CO32-取代PO43-的B型取代HA。
　　 將PVA紡成纖維，并將其編織成織物。用交互浸漬

4、法和模擬體液法制備了HA/PVA復(fù)合纖維。隨交互浸漬周期的增多，沉積在PVA纖維表面的HA數(shù)量增加。10周期的交互浸漬HA已基本能將PVA纖維表面覆蓋。在PVA纖維表面生成的HA還有提高PVA纖維力學(xué)性能的作用，纖維的斷裂強(qiáng)度、楊氏模量都隨HA的沉積量增多而提高，從而使HA/PVA復(fù)合纖維的應(yīng)用性能進(jìn)一步改善。模擬體液法中利用纖維良好的溶脹性能，將其預(yù)先浸入0.5M的CaCl2使其預(yù)鈣化后浸入SBF，2天后在纖維和織物表面沉積了大量的H

5、A，其化學(xué)成分較交互浸漬法所得HA更接近于化學(xué)計量的HA。
　　 通過溶液共混法制備了PVA與絲素蛋白的共混膜(PVA/SF)，SF的加入不但能有效地改善膜的力學(xué)性能，即顯著提高膜的模量和斷裂強(qiáng)度，而且也能促進(jìn)HA在膜表面的生長。隨共混膜中SF含量增多，在相同交互浸漬條件下所形成的HA質(zhì)量增加。
　　 用NaOH對聚已內(nèi)酯(PCL)薄膜進(jìn)行堿處理，在其表面引入羧基，改善基體表面的親水性，活化其表面，采用交互浸漬法制備HA

6、/PCL復(fù)合材料，證實(shí)經(jīng)NaOH處理后的PCL表面更能引發(fā)HA的生長。采用稱重法發(fā)現(xiàn)HA的沉積量隨著交互浸漬反應(yīng)周期的增加而增多，EDS對生成的HA的原子組成分析發(fā)現(xiàn)HA的Ca/P比也隨反應(yīng)周期的增加而逐漸趨向于化學(xué)計量的羥基磷灰石Ca/P比，并結(jié)合FT-IR的結(jié)果，可以認(rèn)為本實(shí)驗中所得到的羥基磷灰石為A型和B型取代混合型磷灰石，XRD結(jié)果證實(shí)所得到的HA為弱結(jié)晶結(jié)構(gòu)，與骨骼中的HA結(jié)晶結(jié)構(gòu)較相似。將這種表面改性方法應(yīng)用于靜電紡PCL多

7、孔纖維支架，用模擬體液法制備了HA/PCL纖維支架，支架上生長的羥基磷灰石為類骨磷灰石。
　　 選用親水性聚合物聚乙烯醇(PVA)對聚已內(nèi)酯薄膜表面進(jìn)行涂層修飾，在其表面引入羥基，改善基體的親水性，XPS和FT-IR均證明隨著PVA涂層程度的增加，PCL表面化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，并以此對修飾方案進(jìn)行優(yōu)選。采用交互浸漬法和模擬體液法制備了HA/PCL復(fù)合材料，經(jīng)稱重法發(fā)現(xiàn)隨著PVA涂層修飾程度的增加，HA的沉積量增加，相同PVA涂層

8、的樣品，HA沉積量隨著交互浸漬法的反應(yīng)周期的增加而增加。模擬體液法制備HA/PCL復(fù)合材料時，經(jīng)Ca-P處理，各樣品表面均沉積了HA涂層，沉積量據(jù)SEM觀察同樣也隨著PVA修飾程度的增加而增加，經(jīng)EDS證實(shí)HA的Ca/P比隨浸泡時間的增加而逐漸趨向于理想的1.67.比較了NaOH處理和PVA修飾兩種方法對改善PCL基體活性的有效性，探討了不同基團(tuán)和基團(tuán)密度對HA生長的影響。
　　 從結(jié)構(gòu)仿生和組分仿生出發(fā)，采用靜電紡絲制備羥基磷

9、灰石/聚已內(nèi)酯(HA/PCL)復(fù)合纖維支架，預(yù)先用硅烷偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑γ-(2，3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(A-187)對HA顆粒進(jìn)行表面修飾，能改善HA與PCL的界面親和性能，同時力學(xué)性能如拉伸強(qiáng)度和模量也由于A187-HA的均勻分而得到提高。對所紡得的PCL，HA/PCL和A187-HA/PCL多孔支架進(jìn)行體外生物活性，HA和A187-HA的加入有效地改善了PCL的生物活性，在1.5SBF中浸泡后均有大量的HA在HA/PCL和A18

10、7-HA/PCL多孔支架上沉淀，而在PCL上無HA生成。ICP-AES發(fā)現(xiàn)A-187的包覆并未影響到支架的的生物活性。對所得支架進(jìn)行體外生物相容性評價，發(fā)現(xiàn)三組支架支持L929成纖維細(xì)胞和MG-63造骨細(xì)胞的生長，A-187的加入對支架的生物相容性沒有影響。因此可以認(rèn)為由于其優(yōu)良的力學(xué)性能，良好的生物活性和生物相容性，A187-HA/PCL多孔支架在組織工程領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。
　　 本文的創(chuàng)新之處在于：預(yù)先對基體進(jìn)行Ca-P

11、處理，引入晶核，使HA的生長可以跨越成核誘導(dǎo)期而縮短HA在基體表面結(jié)晶的時間；對PCL基體表面進(jìn)行改性，增大了基體表面與模擬體液浸潤性，減小了接觸角，使成核容易進(jìn)行，由此加速了HA的生長；在基體PCL中引入HA，通過偶聯(lián)劑處理HA改善其在PCL中的分散性，減少HA生長的位壘，促進(jìn)其結(jié)晶，同時HA具有一定的溶解性，所釋放的鈣離子和磷酸根離子可增加溶液的飽和度而促進(jìn)HA結(jié)晶，對PVA纖維預(yù)鈣化也屬于這種機(jī)理；采用靜電紡絲，濕紡和編織法等制備