纳米羟基磷灰石与聚乳酸复合材料的研究进展及发展前景

目 录

摘要 ………………………………………………………………………………………1

引言 ………………………………………………………………………………………1

1、纳米羟基磷灰石与聚乳酸复合材料的发展及应用现状……………………………1

1.1nHA-PLA复合材料性能 ……………………………………………………………1

1.1.1nHA-PLA复合材料的生物相容性 ……………………………………………2

1.1.2nHA-PLA复合材料的力学性能 ………………………………………………2

1.2nHA-PLA复合材料国内外发展状况.... …………………………………………2

1.2.1nHA-PLA国外发展状况 ………………………………………………………2

1.2.2nHA-PLA国内发展状况 ………………………………………………………3

2、nHA-PLA复合材料制备工艺及发展前景的研究……………………………………3

2.1nHA-PLA复合材料的制备工艺 ……………………………………………………3

2.1.1热压成型法……………………………………………………………………3

2.1.2直接喷涂法……………………………………………………………………3

2.1.3原位聚合法……………………………………………………………………3

2.1.4微粒吸附法……………………………………………………………………3

2.1.5溶液共混法……………………………………………………………………4

2.2nHA-PLA复合材料的展望 …………………………………………………………4

结 论 …………………………………………………………………………………4

参考文献 …………………………………………………………………………………4

[摘要]

聚乳酸是一类重要的生物降解聚合物,羟基磷灰石是人体骨骼的基本成分。以羟基磷灰石为增强材料、聚乳酸为基体制备的羟基磷灰石/聚乳酸复合材料,是无机/有机生物复合材料的典型代表,具有良好的力学性能与生物相容性,在很多领域有重要的应用。本文主要综述了纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料的制备方法以及对纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料的展望。

[关键词] 聚乳酸；纳米羟基磷灰石；复合材料；制备方法；发展展望

引言

随着材料学和医学的发展，新型人工骨复合材料一直是生物材料领域的研究热点。人工骨复合材料的研究不仅要具有良好的随着材料学和医学的发展,新型人工骨复合材料一直以来都是生物材料领域的研究热点之一。人工骨复合材料的研究不仅要具有良好的生物相容性,而且能够与天然骨组织间形成骨性结合, 从而使植入生物体内人工骨复合材料能够长期发挥相应的生理功能[1]。纳米羟基磷灰石（nHA）是一种具有代表性的生物活性材料,是现在人工骨材料研究的一个热点,其具有良好的骨传导性能和生物活性,能与骨组织形成牢固的骨性结合促进骨骼生长, 并且相态比较稳定, 无毒性、无炎性,是公认的性能良好的骨修复替代材料。但也自身存在的一些不足,如抗疲劳性差,生物可吸收性差, 压缩强度较低,替代速度慢,植入体内后可能出现疏松、迁移、破坏等。聚乳酸（PLA）是一种具有良好生物相容性和生物降解特性的聚合物,[2]具有较好的机械强度、弹性模量和热成型性, 在骨组织和软骨组织的再生与修复等骨组织工程中基本能满足作为细胞生长载体材料的要求。聚乳酸最终降解产物是二氧化碳和水,中间产物乳酸是体内正常代谢物,因此,在生物体内降解后不会对生物体产生大的不良影响[3]。PLA材料的不足之处在于其机械强度较差,不具有骨传导性,在临床单独使用时,修复骨缺损的速度很慢,尤其是对于较大的骨缺损,难以达到完全修复,所以单纯的PLA人工骨材料不是理想的骨修复替代材料。目前,研究最多的是纳米羟基磷灰石与聚乳酸复合的人工骨材料,将这两种材料进行复合则有望使其相互取长补短,从而得到理想的骨替换材料[4]。

1、纳米羟基磷灰石与聚乳酸复合材料的发展及应用现状

nHA-PLA复合材料性能优异，在当今人工骨骼的应用中有着不可代替的重要作用。前期实验证实：当纳米羟基磷灰石含量为 20%时，聚乳酸/羟基磷灰石纳米复合材料的抗弯强度为 175 MPa，能很好地满足人体自然骨的生物力学要求[5]。人工骨进入人体后将与组织和细胞直接接触，因此，人工骨需要有很好的生物相容性，此外，还需为细胞长入提供足够的支架空间。发现聚乳酸/羟基磷灰石纳米复合材料有良好的生物相容性，对MC3T3-E1 细胞无毒副作用，同时可促进支架材料上细胞的成骨分化[6]。

1.1 nHA-PLA复合材料的性能

nHA-PLA复合材料具有良好的生物相容性与力学性能，充分满足了人造骨骼的生物及力学要求。

1.1.1 nHA-PLA复合材料的生物相容性

理想的移植材料修复骨损伤，应通过骨传导和骨诱导的生物学机制来实现。单纯支架材料移植主要通过骨传导方式来修复骨损伤，骨愈合从宿主骨与移植骨连接处开始，宿主骨骨膜中的成骨细胞想移植材料表面及内部生长，成骨细胞合成及分泌Ⅰ型胶原、碱性磷酸酶、骨形态发生蛋白（BMP）及骨钙素等多种成分，通过Ⅰ型胶原的矿化及生长因子的作用，新生骨组织逐渐形成；同时移植材料在不断降解，最终由血管化和新生骨组织替代[7]。蓝旭等[8]人利用实验观察组织工程化骨修复骨缺损后1h、7d、14d血流流变学指标与骨缺损修复区术后14d局部血流量变化，结果表明nHA-PLA构建的组织工程化骨可作为自体骨的替代材料修复节段性骨缺损，nHA-PLA复合材料构建的组织工程化骨组血液粘度低于PLA材料的植入对照组，骨折局部血流量高于对照组。成功诱导周围组织间充质干细胞大量向骨细胞转化，并趋使成骨细胞向支架材料内部移动，使得支架材料的骨修复能力得以明显增强。通过仿生学原理制备的nHA-PLA支架拥有微米级孔隙，具有良好的骨传导性、生物相容性及可降解性。

1.1.2 nHA-PLA复合材料的力学性能

性能良好的支架不仅应具有合适的孔径和孔隙率，还应拥有适宜的力学性能，这样才能保证支架在体内保持良好的形状和性质。Deng等[9]合成nHA-PLA复合支架的组织工程化骨修复节段性骨缺陷，根据动物桡骨缺损区植入不同材料，术后对照检查、组织学观察、计算机图像分析和生物力学测定，结果证实nHA-PLA复合支架可作为自体骨的替代材料修复节段性骨缺损。强小虎等[10]采用共混复合工艺制备不同nHA质量分数的复合材料，其弯曲强度随着nHA体积分数的增肌而增大，nHA微粒质量分数为0.15时弯曲强度出现峰值。

1.2 nHA-PLA复合材料国内外发展状况

1.2.1 nHA-PLA复合材料国外发展状况

在国外, Marra K G等报道了羟基磷灰石增强的复合材料作为骨组织工程的支架材料在兔骨方面的应用,但复合材料的基体是聚己内酯( PCL) 与 PLGA 的共混物[11]。Ma P X 等则深入观察HA/ PLLA 三维多孔骨组织工程支架材料中 HA诱导骨的生长过程,他们发现:仅PLLA 时造骨细胞主要附着在聚合物表面,而复合时会渗透到支架材料内部,均一分布,且存活率高;在6周的体外培养中,虽然造骨细胞在两类支架材料中都可以增生扩散,常要多,mRNA的骨特殊标记也有更多显示；新组织不停地在复合材料中增加,但纯PLLA时新组织仅在靠近材料的表面形成[12]。

nHA-PLA复合材料在国外起步较早，取得了一些重大的研究成果。生产方式也在科技进步中取得了发展，大规模生产技术成熟，生产效率较高。

1.2.2nHA-PLA复合材料国内发展状况

国内nHA-PLA复合材料的发展起步较晚，也取得了一些成绩。但规模化生产技术尚不成熟，总体水平还远落后于国外。

清华大学史廷春等采用组织工程方法,根据CT数据反求的CAD模型,通过计算机控制多功能快速成形机,经过专门设计的喷头喷射成具有微孔的基底框架,探讨了聚乳酸多孔骨架框的快速制造。再将这一框架通过化学沉积方法,与胶原、羟基磷灰石等复合,可得到的HA/ PLA复合材料。对大动物狗的桡骨进行修复试验,证明该途径获得的羟基磷灰石增强复合材料,是修复大段骨的理想材料。该途径中,由于采用组织工程方法制作大段骨,其数据信息来自患者,因此可以实现个性化服务,不再是千篇一律的批量化生产[13]。

2、nHA-PLA复合材料制备工艺及发展前景的研究

尽管nHA-PLA复合材料的性能优异，但不同生产方式制备的复合材料其生物相容性和力学性能也不尽相同。现在nHA-PLA复合材料的制备工艺大致有热压成型法、直接喷涂法、原位聚合法、微粒吸附法、溶液共混法和纤维复合法。

2.1 nHA-PLA复合材料的制备工艺

2.1.1热压成型法

在早期,由于聚乳酸分子量较低,易于加热软化,一般采用热压成型法制备 HA/ PLA 复合材料,即采用加热后软化的半流体聚乳酸作为颗粒型HA的赋形剂,将两种材料在加热、加压下共混[14]。目前,该方法仍有应用,但由于聚乳酸易热降解,热压温度不可太高,这限制了其应用,特别是需要使用高分子量聚乳酸进行复合时。

2.1.2直接喷涂法

从20世纪90年代初开始,Verheyen 等人在HA/ PLA 复合材料应用于骨折内固定材料的研究中, 就发展了直接喷涂法制备工艺。他们将HA等离子喷涂在 PLLA 表面,厚度达 50 μm,以促进聚乳酸与骨组织的早期结合。由于HA涂层被组织内细胞吞噬和体液溶解, 材料表面产生了一些不规则洞穴, 因而促进了材料与组织的结合[15]。

2.1.3原位聚合法

原位聚合法可以得到HA与PLLA之间存在化学结合力的复合材料,其具有很高的压缩强度和抗张强度,其工艺为: 采用经过特殊处理的 HA微粒与丙交酯混合, 在一定温度和真空度下用引发剂引发丙交酯的开环聚合。这种新的复合方式,不仅改善了两种材料组元界面间结合力差的问题；而且,所获得的HA/PLLA复合材料,在体内降解速度较慢,不同降解速度可以通过改变聚合条件、HA/ PLLA比例进行控制[16]。

2.1.4微粒吸附法

李建华等[17]将PDLLA加工成薄片,使HA的乙醇溶液中的HA微粒附着于PDLLA薄片上,经干燥、混炼后得到HA/PDLLA的复合材料。测试后发现,随着HA含量的增,复合材料的拉伸强度逐渐减少,HA含量为10%时,拉伸强度为39.8MPa；HA含量为20%,拉伸强度下降为32.3MPa,呈线性下降。这表明HA的加入并不能有效提高复合材料的拉伸强度,这可能与HA和PLA两相间脆弱的界面有关,两相间的空隙导致应力集中、断裂纹最后扩展到整个材料发生断裂。

2.1.5 溶液共混法

目前, 聚乳酸类复合材料制备过程中使用最多的仍然是溶液共混法,但溶剂去除的方法不同,并且在后加工中有进一步使用热压成型工艺的趋势。例如,中山大学廖凯荣等在 w ( PLLA) =10%的氯仿溶液中,按m ( PLLA) Bm (HA) = 90B10 加入复合组分, 室温搅拌混合至溶剂挥发近干,再 60 e 真空干燥 6 h, 制备了HA/ PLLA 复合体系,并用差示扫描量热法( DSC) 研究了其非等温结晶行为[18]。

2.2 nHA-PLA复合材料的展望

HA/PLA人工骨修复材料具有良好成骨性，无免疫原性、无交叉传染风险，可较快、较好地与周围组织整合生长等优点，但随着对人工骨修复材料研究的日益深入，研究人员发现这些材料尚存在很多需要解决的问题，如材料降解速度与新骨形成速度不一致、材料导致的机体免疫排斥反应和炎性反应等。但我们相信，随着复合材料技术的不断发展，HA/PLA人工骨修复材料将会更好地应用于临床，为修复骨缺损等骨科疾病提供新的选择[19]。

结论

骨修复材料的发展方向是骨缺损的修复和固定都将采用完全可降解吸收的生物活性材料,将材料与BMP等基因复合并能体内缓释,材料的骨传导和骨诱导作用相结合,将大大提高其修复能力。同时, 可将抗生素与修复材料复合,修复重建同时还可以达到预防感染的目的。固定材料可降解吸收,避免二次手术取内固定物带来创伤和感染机会。如果将来应用于临床实践,将给人类带来巨大的收益。 随着材料学, 分子生物学的相关学科的发展, 生物材料前景广阔, 定会取得突飞迅猛的发展[20]。

参考文献

[1] Jayasuriya A C, Shah C, Ebraheim N A , et al.A cceler atio n o f biom imetic miner alizatio n to apply inbone r egener atio n [ J ] . Bio med M at er, 2008, 3 ( 1) :015003.

[2] Sing h S, R ay SS. Polylactide based nano structuredbio mater ials and their applicatio ns [ J ] . J N anosciN anotechnol, 2007, 7( 8) : 2596-2615.

[3]Shen L , Y ang H, Y ing J, et al. Pr epar ation andmechanical pr operties o f carbo n fiber r einfor cedhydr ox yapatite/ po ly lactide bio composit es [ J ] . JM at er Sci M a ter M ed, 2009, 20( 11) : 2259-2265.

[4]黄红鸿,王大平,刘健全.纳米羟基磷灰石复合聚乳酸人工骨的研究进展.P ractical Orthopaedics 2011,17(10):910-913

[5]黄江鸿,王大平,刘建全,等.新型聚乳酸复合纳米羟基磷灰石人工骨的细胞相容性[J].实用骨科杂志,2012,18(4):323-326.

[6]李敏,唐元,等.聚乳酸/羟基磷灰石纳米复合物对MC3T3-E1细胞增殖活性的影响[J].纳米生物材料,2014,18(43):6929-6934.

[7]张凯,王大平,刘健全.仿生增强型纳米羟基磷灰石-聚乳酸复合支架研究现状[J].国际骨科学杂志.2010,31(6):352-357

[8]Gtak M,Kendoff D,Gardner MJ,et al.Rotational stability of femoral osteosynthesis in femoral fractures;navigated measurements.Technol Health Care,2009;17(1):25-32

[9]Deng X,Hao J,Moon HS,et al.Lumbar spinal fusion with a mineralized collagen matrix and rhBMP-2 in a rabbit model.Spine(Phila Pa 1976),2003;28(17):1954-1960

[10]强小虎,张杰.纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料的性能测试.中国组织工程研究与临床康复,2007；11(5):911-913

[11]Marra K G, Szem J W, Kumta P N, et al. In vitro analysis ofbiodegradable polymer blend/ hydroxyapatite composites forbone tissue engineering[J] . Journal of Biomedical Materials Re -search, 1999, 47(3) : 324-335.

[12]Ma P X,Zhang R Y, Xiao G Z, et al. Engineering new bone tissue in vitro on highly porous poly(A -hydroxyl acids) / hydroxya -patite composite scaffolds[J] . Journal of Biomedical, 2001, 54(2) : 284-293.

[13]史廷春,岳秀艳,熊卓,等.可降解聚合物多孔骨架的快速制造[J].生物医学工程学杂志,2002,19(2):348-349.

[14]全大萍,江昕,李世普.乳酸及其复合材料的研究概况[J].武汉工业大学学报,1996,18(2): 114-117.

[15]刘芳,贾德民,王迎军.聚乳酸及其复合材料在骨组织工程方面的研究进展[J].生物医学工程学杂志,2001,18(3):448-450.

[16]全大萍,江昕,李世普.乳酸及其复合材料的研究概况[J].武汉工业大学学报,1996, 18(2):114-117.

[17]李建华,闫玉华,李世普,等.可降解聚乳酸与羟基磷灰石复合材料的研究[J].生物骨科材料与临床研究,2007,4(2):37-42.

[18]廖凯荣,罗力力,薄颖慧,等.聚左旋乳酸及其复合体系的非等温结晶动力学[J].中山大学学报(自然科学版),1998,37(4):71-75.

[19]胡堃，张余，任卫卫.羟基磷灰石/聚乳酸人工骨修复材料的研究进展[J].中国骨科临床与基础研究杂志,2013,5(1):56-62

[20]崔阳,刘一,黄威.聚乳酸/羟基磷灰石复合骨修复材料的改性及应用特征[J].中国组织工程研究与临床康复,2007,11(31):6244-6247

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/820c07afba1aa8114531d978.html