納米磷酸鈣的制備及其在生物醫(yī)學中的應用.pdf

1、近年來，基于磷酸鈣材料的生物礦化的最新進展表明納米鈣磷顆粒在自然界的硬組織形成過程中扮演了重要的角色。盡管天然骨和牙釉質(zhì)的材料性質(zhì)和它們的多級結(jié)構(gòu)有所不同，但它們的基本無機組成單元都可能是是納米磷灰石。納米尺度可以賦予生物材料在生物體液環(huán)境中具有獨特的物理和化學特性，例如機械強度的增強和動力學上的自我保護。在生物體中，數(shù)十到數(shù)百個納米顆粒可以在有機基質(zhì)的調(diào)控下組裝的形成生物礦物。隨著納米技術(shù)和生物材料的發(fā)展，納米磷酸鈣及其復合材料的制備

2、及其在生物醫(yī)學上的應用都得到了廣泛關(guān)注。
　　 本論文研究了尺寸可控的納米磷酸鈣的制備和應用。研究涉及不同尺寸的納米磷酸鈣顆粒的合成及其對骨相關(guān)細胞生長的影響；利用聚合物發(fā)展出一種生物友好環(huán)境下納米磷酸鈣顆粒的新合成方法；在排除了尺寸效應后研究不同結(jié)晶度的納米磷酸鈣對細胞生長分化的影響；還嘗試利用磷酸鈣顆粒制備復合支架材料來改善骨修復。全文共分六章：
　　 第一章簡要介紹了磷酸鈣生物礦化的基本知識、生物硬組織中的磷酸鈣的

3、結(jié)構(gòu)、納米磷酸鈣制備和應用研究的進展、磷酸鈣在組織工程中的應用等。通過總結(jié)了磷酸鈣材料研究中的重點關(guān)注問題引出我們對這些問題的觀點及相關(guān)的研究計劃。
　　 第二章研究了不同尺寸的羥基磷灰石(HAP)對骨肉瘤細胞(U2OS)的生長和活性的影響。我們利用表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為控制劑合成具有不同尺寸(20、40和80nm)的HAP納米顆粒及尺寸大于100nm的普通納米HAP。課題組先前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)20nm磷酸

4、鈣能夠促進骨間充質(zhì)干細胞(BMSC)的增殖，而且其促進效果隨著尺寸的增加而減少。在此基礎(chǔ)上，我們又研究了不同尺寸HAP顆粒對骨肉瘤細胞增殖和生物活性的影響。我們把用不同尺寸的HAP顆粒制成薄膜或懸濁液，然后和U2OS細胞共培養(yǎng)。生長曲線和MTT法檢測結(jié)果表明20nm羥基磷灰石顆粒對U2OS的生長和活性具有最大的抑制作用，而且隨著顆粒尺寸的增加這種抑制作用相應減弱。由此提出20nm HAP顆粒作為硬組織腫瘤摘除后的醫(yī)用修復材料具有明顯的優(yōu)

5、勢。該工作強調(diào)了磷酸鈣材料的尺寸效應在生物醫(yī)學應用中的重要性。
　　 第三章著重于納米磷酸鈣顆粒的結(jié)晶度對骨相關(guān)細胞的生物行為的影響。我們先制備了具有相同尺寸(20nm)但結(jié)晶度不同的HAP和ACP顆粒從而排除了納米磷酸鈣的尺寸效應對細胞行為的影響。然后檢測了BMSC在兩種磷酸鈣材料上的粘附、增殖和成骨分化水平。結(jié)果表明在非晶納米磷酸鈣既ACP上BMSC的黏附比其晶相的磷酸鈣即HAP稍低，但是HAP對骨髓基質(zhì)干細胞的增殖具有更大

6、促進作用，并且還顯著提高了BMSC細胞的成骨分化能力。這一實驗結(jié)果完全不同于以往人們對磷酸鈣結(jié)晶度-骨相關(guān)細胞行為關(guān)系認識（往往認為ACP對BMSC具有更好的生物活性），我們能認為主要原因是在過去的研究中人們沒有考慮到尺寸效應，所采用的ACP的尺寸遠遠小于HAP。因此，該工作從另一角度再次強調(diào)了在生物材料研究中顆粒尺寸效應的重要性。
　　 第四章探討了如何采用更加生物友好的方法制備不同尺寸的磷酸鈣顆粒。在己知納米磷酸鈣的生物活性

7、與其尺寸有著密切的關(guān)系后，我們希望找到一種生物友好的方法來合成磷酸鈣顆粒，其原因是先前工作中所采用的結(jié)晶控制劑也就是CTAB的生物相容性并不好。鑒于聚丙烯酸(PAA)具有良好的生物相容性，我們利用不同濃度的PAA溶液作為添加劑來合成磷酸鈣，得到了5-60nm不同尺寸的顆粒。為了了解產(chǎn)品的生物相容性，我們用BMSC與所得到的20nm顆粒共培養(yǎng)，研究了這些含有PAA分子的磷酸鈣顆粒對細胞增殖和活性的影響，并與含有CTAB的20nm磷酸鈣顆粒

8、進行比較。結(jié)果表明PAA的存在對顆粒的生物相容性和活性基本沒有影響，而CTAB的存在明顯抑制了細胞的活性。因此在納米磷酸鈣合成的洗滌階段，采用PAA的方法具有明顯的優(yōu)勢，這是一種簡易且生物友好的制備方法。
　　 第五章嘗試了20nm HAP在支架性能改進中的應用.在這項工作中,我們制備了20nmHAP和聚乳酸的復合支架(20HAP/PLA)并研究其對骨修復的促進作用;為了對照,我們還合成了純PLA,PLA和普通HAP復合支架(c

9、HAP/PLA).在體外實驗中,我們在灌流的體系實現(xiàn)人體骨髓間充質(zhì)干細胞(hMSC)與各種支架的培養(yǎng)并定量檢測細胞的活性、增殖以及分化.結(jié)果表明20HAP/PLA支架具有比其他支架更優(yōu)異的生物相容性和促進成骨分化的能力。在體內(nèi)實驗中，我們利用兔子脛骨的骨修復模型，把不同支架植入兔子體內(nèi)培養(yǎng)4周后取出，用HE染色，X射線顯微照片以及RT-PCR來研究20HAP/PLA支架對骨缺損部位的修復能力，同樣發(fā)現(xiàn)了20HAP/PLA支架具有獨特的迅