納米羥基磷灰石_殼聚糖_羧甲基纖維素三元復合骨修復材料的制備和性能研究

1、納米羥基磷灰石 /殼聚糖 /羧甲基纖維素 三元復合骨修復材料的制備和性能研究 3蔣柳云 , 李玉寶 , 張 利 , 廖建國 , 楊維虎 (四川大學 納米生物材料研究中心 , 分析測試中心 , 四川 成都 610064摘 要 : 用溶液共混法在常溫常壓下制備了不同比 例的納米羥基磷灰石 /殼聚糖 /羧甲基纖維素三元復合 骨修復材料 。 用燃燒實驗 、 IR 、 XRD 、 SEM 及 TEM 對 復合材料的組成結構及形貌進行了分析和觀察 , 并初 步研究了其力學性能 。 結果表明該復合材料中納米羥 基磷灰石均勻分散在殼聚糖和羧甲基纖維素網(wǎng)絡結構 中 , 三組分間還產生了一定的相互作用 , 其形態(tài)

2、 、 尺寸 及結構與自然骨類似 , 且其抗壓強度比納米羥基磷灰 石 /殼聚糖二元復合材料更高 ; 同時 , 通過調節(jié)各組分 比例 , 可制得不同抗壓強度的復合材料 。因此 , 該三元 復合材料可望作為一種新型可降解的非承重部位骨修 復材料 , 在生物醫(yī)學材料的研究中具有重要意義 。 關鍵詞 : 納米羥基磷灰石 ; 殼聚糖 ;合材料中圖分類號 :文章編號 :1001 22041 引 言研制和尋找理想的生物材料用于骨缺損的修復和 替換是醫(yī)學和生物材料學領域的一項重要課題 。理想 的骨修復材料既要有良好的生物相容性和生物降解 性 , 還應有較高的初期機械強度以為新生組織提供力 學支撐 。 羥基磷灰石

3、 (Hydroxyapatite , HA 因其化學 成分和晶體結構與人骨主要無機成分基本相同 , 故具 有良好的生物相容性和骨傳導性 及較好 的生 物活 性 1,2, 目前已廣泛應用于臨床 , 但其脆性和不易加工 性限制了其應用 ?；诖?, HA/高聚物復合材料被廣 泛地研究和應用 36。 殼聚糖 (CS 是一種天然可降解 聚陽離子高聚物 , 其降解產物無毒性 、 無致敏性及致癌 性 , 已廣泛應用于生物醫(yī)學領域 7,8。 HA 與殼聚糖復 合制備骨修復材料已有報道 , 但其力學強度尚不令人 滿意 9,10。 因此 , 有人嘗試用交聯(lián)劑來提高該復合材 料的力學性能 , 但所用交聯(lián)劑大都有毒

4、 , 不利于骨細胞 在材料上黏附增殖 11。羧甲基纖維素 (CMC 是天然 纖維素經(jīng)化學改性后的水溶性纖維素醚類衍生物 12, 屬聚陰離子高聚物 , 通常使用其鈉鹽 。因 CMC 具有 獨特的粘合性 、 增稠性 、 成膜性 、 懸浮性和水分保持性 , 因而廣泛應用于食品 、 醫(yī)藥 、 化妝品 、 涂料 、 油漆 、 紡織 、 石油和造紙等行業(yè) 13,14, 但用于人工合成骨修復材料 還未見報道 。 由于 CMC 的結構與 CS 相似 (如圖 1所 示 , 且二者帶有相反電荷 , 故在溶液中能產生很強的 離子交聯(lián) , 形成穩(wěn)定的聚電解質網(wǎng)絡結構 15,16。基于 此 , 本文以生物相容性 CMC

5、 代替有毒性的交聯(lián)劑 , 采 用溶液共混法制備 n 2HA/CS/CMC 三元復合無機 /有 機骨修復材料 , 既可提高生物活性 , 保證材料的可降解 性以及避免材料的毒性 , 又可通過無機 /有機界面間的 , 以滿足臨床上 圖 1 殼聚糖 、 纖維素及羧甲基纖維素鈉的結構圖 Fig 1The st ruct ures of chito san , cellulose and sodi 2 um carboxymet hyl cellulose2 材料與方法2. 1 材料殼聚糖粉末 , 平均分子量 2. 5105, 脫 乙酰 度 90%, 購自濟南海得貝生物工程有限公司 ; 納米羥基磷 灰石晶

6、體漿液由本實驗室自制 ; 羧甲基纖維素鈉 , 取代 度為 0. 7, 分子量為 4. 2108, 購自成都科龍化學試劑 廠 。 實驗所用其它試劑均為分析純 。2. 2 納米羥基磷灰石 /殼聚糖 /羧甲基纖維素復合材 料的制備按 n 2HA/CS/CMC 的質量比為 40/30/30、 50/25/ (3基金項目 :中荷戰(zhàn)略科學聯(lián)盟國際合作資助項目 (2004CB720604收到初稿日期 :2006209226收到修改稿日期 :2007201226 通訊作者 :李玉寶 作者簡介 :蔣柳云 (1975- , 女 , 湖南邵陽人 , 在讀博士 , 師承李玉寶教授 , 主要從事生物材料的研究 。25、

7、 70/10/20、 70/15/15、 70/20/10、 80/10/10稱取各 組分原料 , 將 CS 溶于 2%(質量分數(shù) 的乙酸溶液 , 攪 拌至完全溶解 , 過濾得 3%(質量分數(shù) 的透明 CS 溶 液 , 攪拌下緩慢滴入 n 2HA 漿液中 , 混合均勻后滴加 2%(質量分數(shù) 的 CMC 水溶液 。滴加完畢 , 調 p H 值 使其形成均一懸濁液 , 劇烈攪拌 8h , 反應中一直保持 p H 值為 5. 5左右直至反應完全 。 漿液靜置 24h , 去上 清液后離心洗滌至中性 , 于 60 真空干燥至恒重 , 研 磨成粉 。2. 3 納米羥基磷灰石 /殼聚糖 /羧甲基纖維素復合

8、材 料的表征將同一塊復合材料取 3個平行樣品置入馬弗爐中 于大氣環(huán)境下在 800 燒結 4h , 使其中的有機物燃燒 完全 , 以分析復合材料中無機相含量和無機 /有機相之 間的分布均勻性 。用紅外光譜 (IR 、 X 射線衍射光譜 (XRD 分 析 材 料 的 組 成 及 相 結 構 , 并 用 透 射 電 鏡 (TEM 和掃描電鏡 (SEM 觀察材料的形貌結構 。采 用含檸檬酸 、 冰醋酸 、 氯化鈣 、 磷酸氫二鉀 、 明膠等成分 的凝固液將復合材料調成糊狀 , 轉移入特制模具中壓 制成 6mm 12mm 的樣品 , 于 60 下干燥后用萬能 材料試驗機測試其抗壓強度HA/CS 。 33

9、. 1 燃燒實驗表 1為燃燒實驗結果 , 每個樣品均做 3次平行實 驗 , 然后取平均值 。結果顯示 n 2HA 在各種復合材料 中實際含量與理論含量非常接近 , 表明 n 2HA 晶體在 成型材料中的整體分布是均勻的 , 沒有發(fā)生相分離 。 表 1 n 2HA/CS/CMC 復合材料在 800 下的燃燒實 驗結果Table 1Theoretical and act ual compositions of n 2 HA/CS/CMC compo sites as determined by burn 2out test s at 800理論含量 (% 實際含量 (%n 2HA 有機相 n 2H

10、A 有機相 4030/3040. 2559. 755025/2548. 0151. 997010/2069. 0930. 917015/1568. 6931. 317020/1069. 9730. 033. 2 IR 分析n 2HA 、 CS 、 CMC 及不同比例 n 2HA/CS/CMC 復 合材料的紅外光譜如圖 2所示 。 圖 2(a 是純 CMC 的 紅外光譜 ,3440cm -1為游離 -O H 伸縮振動峰 ,1607和 1420cm -1是 COO -的對稱伸縮振動和反對稱伸縮 振動 ,1061cm -1為 -O H 的彎曲振動峰 。圖 2(b 是純 CS 的紅外圖譜 , 3420

11、cm -1為 -O H 的伸縮振動峰 , 1655cm -1處 的 吸 收 峰 是 酰 胺 譜 帶 的 特 征 峰 , 而 1599cm -1處的肩峰則為胺基的彎曲振動吸收峰 (即酰 胺 II 譜帶 。圖 2(i 為 n 2HA 圖譜 ,3571和 633cm -1分別為 -O H 的伸縮振動和彎曲振動峰 ,1094、 603、 1031、 563cm -1為 PO 3- 4峰 。 圖 2(c (h 為復合材料的紅外光譜圖 。在復合材料光譜中 , 存在各組分的主 要特征峰 , 但發(fā)生了一定的偏移 。 1655cm -1處的吸收 峰移至 15991644cm -1, 可能是 -N H 2被質子化

12、為 -N H +3的結果 , 同時仍可觀察到 1420cm -1的峰 , 即 COO -依然存在 , 表明兩種聚合物 CS 和 CMC 之間有 較強的靜電作用 , 發(fā)生了離子交聯(lián) ; 同時復合材料的一 些 -O H 峰發(fā)生了偏移 , 可能是它們三者存在分子間 或分子內氫鍵作用的結果 。HA/CS/CMC 復合材料的 IR 光 譜Fig 2IR spect ra of n 2HA/CS/CMC compo site 3. 3 XRD 圖譜圖 3是 n 2HA 、 CS 、 CMC 及不同比例 n 2HA/CS/ CMC 復合材料的 XRD 圖譜 。圖 3(a 中在 2=10和 20處的兩個峰是殼

13、聚糖的兩個特征衍射峰 。圖 3(b 中在 32和 45是 CMC 的強衍射峰 。圖 3(i 是 n 2HA 的各個特征衍射峰 。 圖 3(c (h 的復合材料圖譜中 均出現(xiàn)了 n 2HA 和 CMC 的特征衍射峰 , 但峰的強度都 有不同程度的弱化或寬化 , 表明它們之間也有一定的 相互作用 。 但 CS 的衍射峰在復合材料圖譜中不太明 顯 , 暗示 CMC 加入后與 CS 間發(fā)生了一定的作用 , 改 變了 CS 的結晶形態(tài) 17。結合以上分析 , CMC 與 n 2 HA 和 CS 之間發(fā)生了相互作用 , 其可能的作用方式如 圖 4所示 。圖 3 不同比例的 n 2HA/CS/CMC 復合材

14、料的 XRD 圖譜Fig 3XRD patterns of n 2HA/CS/CMC compo site 圖 4 n 2HA/CS/CMC 作用方式Fig 4The interactio n mode of n 2HA/CS/CMC com 2po site 3. 4 SEM 觀察圖 5是 n 2HA/CS/CMC 復合材料比例為 60/20/20的斷面 SEM 照片 ?？梢钥闯?, 復合材料中無機相 均勻地分散在 CMC 和 CS 形成的離子交聯(lián)網(wǎng)絡結構 中 , 同時復合材料內部充滿著大量孔徑大小不等的微 孔 , 類似于自然骨的內部結構 , 這有利于骨細胞與外界 營養(yǎng)物質及水分的代謝交換

15、, 從而促進新生骨組織的 生長 18 。圖 5 n 2HA/CS/CMC 比例為 70/15/15復合材料斷面 SEM 照片F(xiàn)ig 5The cro ss 2section p hoto of 70/15/15n 2HA/CS/CMC co mposite 3. 5 TEM 觀察圖 6是 n 2HA 及 n 2HA/CS/CMC 比例為 70/15/15的復合材料的 TEM 照片 。 其中圖 6(a 是 n 2HA 的 TEM 照片 , 圖 6(b 是溶液共混法合成的 n 2HA/CS/CMC 比例為 70/15/15的復合材料 TEM 照片 。從圖 6(a 可以看出 ,n 2HA 粉末呈納米

16、級短棒狀結構 , 其平 均尺寸大約為 10mm 50nm 。 這些 n 2HA 納米顆粒 具有較好的分散性 , 表現(xiàn)出相對均勻的形貌尺寸 。當 加入有機物 CS 和 CMC 后 , 復合材料顆粒變大 , 但仍 呈納米棒狀結構 , 平均尺寸大約 30mm 80nm 。人 骨中磷灰石也為弱結晶細針狀晶體 , 尺寸約為 (510 nm (2050 nm 19。故此復合材料 n 2HA 晶體 類似于自然骨中無機成分的形態(tài)和尺寸 。圖 6 純 n 2HA 和 70/15/15的 n 2HA/CS/CMC 復合材料的 TEM 照片F(xiàn)ig 6TEM p hotograp hs of p ure n 2HA

17、and 70/15/15n 2HA/CS/CMC composite 3. 6 力學性能測試表 2列出了不同比例 n 2HA/CS/CMC 三元復合 材料和 n 2HA/CS 二元復合材料的抗壓強度值 。從表 中數(shù)據(jù)可知 , 不同比例的三元復合材料都有較高的抗 壓強度 , 但當 n 2HA 比例達到 80%時 , 有機網(wǎng)絡結構 無法承載 , 其抗壓強度最低 CS 和 CMC 1, 。另外 , 當 , 三元復合材料 , 說明 的加入與其它的兩種組分間產生了較強的相互 作用 , 從而使無機相和有機相結合得更牢固 。這也從 宏觀上證明 CMC 改善了該復合材料的力學強度 。 表 2 n 2HA/CS

18、 和 n 2HA/CS/CMC 復合材料抗壓強度測定Table 2The compressive st rengt hs of n 2HA/CS andn 2HA/CS/CMC compo sites復合材料 (%抗壓強度 (MPa n 2HA/CS/CMC (40/30/30 119. 91n 2HA/CS/CMC (50/25/25 86. 15n 2HA/CS/CMC (70/10/20 68. 58n 2HA/CS/CMC (70/15/15 85. 03n 2HA/CS/CMC (70/20/10 74. 91n 2HA/CS/CMC (80/10/10 29. 994 結 論綜上所

19、述 , 本文制備不同比例的 n 2HA/CS/CMC 復合材料具有以下特性 :(1 所制備的三元復合材料中 n 2HA 均勻分散 在 CMC 和 CS 網(wǎng)絡結構中 , 其形態(tài) 、 尺寸及結構與自 然骨中的納米磷灰石晶體類似 , 復合材料中三組分間 還產生了一定的相互作用 , 且其抗壓強度比 n 2HA/CS 二元復合材料更高 ;(2 該三元復合材料中當 n 2HA/CS/CMC 比例 為 40/30/30時 , 其抗壓強度最高 , 可望作為一種新型 可降解的非承重部位骨修復材料 , 在生物醫(yī)學材料的 研究中具有重要意義 。同時 , 對天然纖維素的開發(fā)和 利用提供了一條新的途徑 。(參考文獻 :

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25、ight ratio s were p repared by a co 2solution of t by means of burn 2out test s ,IR , , The result s showed t hat nano 2hydroxyapa 2 tite dispersed in p hases , st rong chemical interactions were p resent among t he t hree p hases. The similar to bone in morp hology , size and st ruct ure. Moreover

26、, t he compressive st rengt h of t he composite was improved compared wit h nano 2hydroxyapatite/chitosan composite , and t he com 2 posites wit h different comp ressive strengt h can be prepared t hrough altering t he ratio of t he t hree compositions. Obviously , t he degradable compo sites p repa

27、red here will display a p ro mising prospect for t he repair of damaged bone in non load 2bearing sites.K ey w ords :nano 2hydroxyapatite ; chitosan ; carboxymethyl cellulose ; composite(上接第 797頁 3 Coyle L M , G outerman M. J.Sensors &Actuators B , 1999, 61:92299.4 Khalil G E , Costin C , Crafton J

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