新型生物復(fù)合材料—HA-ZrO-,2-梯度復(fù)合材料的制備及生物相容性研究.pdf

1、由于腫瘤、感染、磨損等原因所致的骨缺損在臨床十分常見。傳統(tǒng)的骨缺損修復(fù)方法，如自體骨移植、異體骨移植，但由于取自體骨痛苦大、后遺癥多，異體骨又有排異，不能作為常規(guī)應(yīng)用于臨床。而人工合成骨替代物，如羥基磷灰石因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)與骨骼的無機(jī)礦物質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，作為骨替代物被用于骨移植，但限制HAP臨床應(yīng)用的主要不利因素是其易碎的特性和較差的抗拉力強(qiáng)度，在骨創(chuàng)面易發(fā)生植入材料的流失，且抗壓性能差。 如何在HAP優(yōu)良生物活性的基礎(chǔ)上來提高其機(jī)械性能，

2、目前主要有金屬材料表面進(jìn)行HAP涂層，涂層方法有離子無序法、電化學(xué)沉積法、等離子噴涂法等，其中以等離子噴涂法因使金屬與HAP結(jié)合緊密而較為盛行，但該法對溫度條件要求較高，當(dāng)溫度條件改變時(shí)，易發(fā)生HAP涂層脫落等問題，而且終難以避免在人體環(huán)境中產(chǎn)生腐蝕、金屬離子向機(jī)體組織游離、導(dǎo)致機(jī)體組織炎癥、過敏等問題。而在HA中加入金屬、陶瓷、玻璃、SiC晶須及碳纖維等第二相顆粒增強(qiáng)體的方法，其力學(xué)性能提高不顯著。而功能性梯度復(fù)合方法是在較低溫度下進(jìn)

3、行的簡單、有效方法，這種方法有利于提高兩種異種固體材料相鄰界面的緊密結(jié)合，有利于減小并有效分布熱應(yīng)力，防止裂縫的產(chǎn)生。 本單位在浙江省科技廳的資助下，與上海大學(xué)高材料研究所聯(lián)合研制了一種新型生物復(fù)合材料—HA/ZrO2梯度復(fù)合材料(Gradedzirconia-hydroxyapatitecompositebioceramic)。氧化鋯具有良好強(qiáng)度和生物相容性，因其特殊的增韌機(jī)制，優(yōu)于其它陶瓷材料，室溫下3mol％Y2O3部分穩(wěn)

4、定的氧化鋯陶瓷具有優(yōu)良機(jī)械性能(抗彎強(qiáng)度為1200MPa)和高的斷裂韌性(K1C達(dá)15MPa·m1/2)。以氧化鋯作為基體材料制備的復(fù)合材料能夠達(dá)到人體負(fù)重部位的使用要求。作者用干鋪-燒結(jié)的方法制備HA/ZrO2梯度復(fù)合材料，使氧化鋯材料的高強(qiáng)度、高韌性和HA的生物活性有機(jī)地結(jié)合起來。 植入體內(nèi)的或與人體血液接觸的生物材料及制品應(yīng)用于臨床的前提和基礎(chǔ)是必須檢測其生物安全性，即材料的生物相容性。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO10993-

5、1:1992醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對HA/ZrO2梯度復(fù)合材料進(jìn)行了一系列體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究，觀察其生物相容性及其誘導(dǎo)、傳導(dǎo)成骨能力，為該材料的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)分五個(gè)部分進(jìn)行觀察研究：(一)HA/ZrO2梯度復(fù)合材料的的制備及其理化特性研究。應(yīng)用干鋪燒結(jié)法制備HA/ZrO2梯度復(fù)合材料。用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)和EDAX能譜儀對復(fù)合材料的表面形貌、復(fù)合成分、截面結(jié)構(gòu)、涂層結(jié)合強(qiáng)

6、度和抗彎性能進(jìn)行測試分析。 (二)HA/ZrO2梯度復(fù)合材料的生物相容性研究。按照《中國衛(wèi)生部生物材料和醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)的技術(shù)要求》[衛(wèi)藥發(fā)(1997)第81號(hào)]中的要求，對HA/ZrO2梯度復(fù)合材料進(jìn)行急性毒性實(shí)驗(yàn)、溶血實(shí)驗(yàn)、骨肌肉植入實(shí)驗(yàn)，以評(píng)價(jià)復(fù)合材料的生物相容性。 (三)HA/ZrO2梯度復(fù)合材料的免疫相容性研究。通過材料的浸提液培養(yǎng)新提取的健康年輕人末梢血單個(gè)核細(xì)胞(PBMC)，包括對PBMC凋亡、CD3/C

7、D69的表達(dá)、淋巴細(xì)胞的轉(zhuǎn)化和細(xì)胞因子變化的檢測，來評(píng)價(jià)ZrO2梯度復(fù)合HAP生物陶瓷材料的免疫相容性。 (四)HA/ZrO2梯度復(fù)合材料的骨細(xì)胞相容性研究。采用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，將鼠成骨細(xì)胞種植于HA/ZrO2梯度復(fù)合材料上，用光鏡及掃描電鏡等觀察細(xì)胞在材料中的生長情況和相互關(guān)系。 (五)HA/ZrO2梯度復(fù)合材料和骨界面間的生物學(xué)連接研究。通過生物復(fù)合材料與骨界面的骨性結(jié)合率、剪切力的測定和界面的生物學(xué)觀察，來評(píng)價(jià)二

8、者間的生物學(xué)連接。 通過以上研究，為新型生物復(fù)合材料-HA/ZrO2梯度復(fù)合材料的臨床應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 實(shí)驗(yàn)獲得以下主要結(jié)果和結(jié)論：1、本研究首次采用干鋪燒結(jié)法將具有骨傳導(dǎo)能力的ZrO2和具有骨誘導(dǎo)作用的HA梯度復(fù)合，制備成新型生物復(fù)合材料-HA/ZrO2梯度復(fù)合材料。該HA/ZrO2梯度復(fù)合材料的表面層主晶相為β-Ca3(PO4)2(β-TCP)、a-Ca3(PO4)2(a-TCP)和CaZrO3相，其平均抗彎

9、強(qiáng)度為868.04MPa，最高抗彎強(qiáng)度為1027.27MPa;表面粗糙度為1.95μm。 2、HA/ZrO2梯度復(fù)合材料發(fā)現(xiàn)ZrO2梯度復(fù)合HA生物陶瓷是一種無細(xì)胞毒性、無急性體內(nèi)毒性、不致溶血性，并具有良好組織相容性的生物材料。該材料植入窗后可誘導(dǎo)新骨形成，骨組織直接在其表面生長，中間無過渡層，并隨時(shí)間增長，且新生骨組織互相交織成網(wǎng)，提高了材料本身及材料與骨組織界面的結(jié)合強(qiáng)度，最終新生骨完全布滿植入材料的表面，新生的骨小梁還可

10、根據(jù)力學(xué)要求逐漸改建。因此，該材料是一種較理想的植入性骨科生物陶瓷材料。 3、采用梯度復(fù)合技術(shù)制備HA/ZrO2生物陶瓷有助于提高材料的免疫相容性。 4、培養(yǎng)的鼠成骨細(xì)胞能夠在HA/ZrO2梯度復(fù)合材料表面正常地粘附、延伸、增殖，可引起早期的骨界面的形成。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(2-7天)，鼠成骨細(xì)胞在HA/ZrO2梯度復(fù)合材料表面的密度增加，并以錨狀結(jié)構(gòu)牢固地附著于材料表面，且分泌細(xì)胞外基質(zhì)，覆蓋并完全包裹材料，說明HA/