鈣磷多孔生物陶瓷

1、環(huán)境材料學(xué) —仿生物材料,主要內(nèi)容：,仿生物材料的環(huán)境性能生物材料的特點和性能仿生物材料——多孔生物陶瓷的制備與應(yīng)用,人工制造的具有生物功能、生物活性，或與生物體相容的材料稱為仿生物材料。仿生物材料主要包括兩類：一類是天然生物材料。即通過由天然生物過程形成的材料，如結(jié)構(gòu)蛋白、生物軟組織、生物復(fù)合纖維及生物礦物等；另一類是指人造的生物醫(yī)用材料，包括一些人造器官、人體植入材料、組織工程材料等。,I、 仿生物材料

2、的環(huán)境性能,II 生物材料的組成、結(jié)構(gòu)及性能,骨的組成和結(jié)構(gòu) 研究一種理想的骨修復(fù)材料，首先要了解骨的基本組成，結(jié)構(gòu)及構(gòu)成方式。從材料角度看，骨可視作一種由無機(jī)礦物和生物大分子規(guī)則排列所組成的優(yōu)化復(fù)合材料， 其力學(xué)性能達(dá)到了理想化，這不僅決定于它的成份，而且也決定于它的結(jié)構(gòu)。,骨組織(Bone tissue)是一種特殊類型的結(jié)締組織，由大量鈣化的細(xì)胞間質(zhì)及數(shù)種細(xì)胞組成。鈣化的細(xì)胞間質(zhì)稱為骨基質(zhì)

3、(Bone matrix)，間質(zhì)中有大量的鈣鹽沉積，使之成為體內(nèi)最硬的組織；細(xì)胞有骨原細(xì)胞(osteoprogenitor cell)、成骨細(xì)胞(osteoblast)、骨細(xì)胞(osteocyte)及破骨細(xì)胞(osteocalst)四種。骨細(xì)胞最多，位于骨基質(zhì)內(nèi)，其余三種細(xì)胞均位于骨組織的邊緣。體內(nèi)99%的鈣、85%的磷、65%的鈉和鎂以骨鹽的形式貯存于骨內(nèi)，因而骨成為體內(nèi)最大的鈣庫，與鈣、磷代謝有著密切關(guān)系，對調(diào)節(jié)血液和體液中鈣、磷濃

4、度的平衡起著非常重要的作用。,骨基質(zhì)主要包括有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)。有機(jī)成份與無機(jī)成份的重量比約75/25，體積比約為65/35。有機(jī)質(zhì)主要是Ⅰ型膠原纖維(占有機(jī)成份的90%以上)及10%左右的無定形基質(zhì)。無定形基質(zhì)為凝膠，包括一些非膠原蛋白、糖蛋白、蛋白多糖、多肽、碳水化合物及脂類等。其中含有兩種鈣結(jié)合蛋白：骨鈣蛋白(osteocalcin)和骨磷蛋白(phosphophoryms)。前者有兩個與鈣親和力強(qiáng)的部位，后者則有許多鈣結(jié)合部位，但只

5、有一部分骨磷蛋白是可溶性的，其余均與膠原纖維相結(jié)合。鈣結(jié)合蛋白與鈣化及鈣的運(yùn)輸有關(guān)。無機(jī)成份主要為鈣的磷酸鹽(85%)，包括羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)和無定形的磷酸鈣。,骨組織在骨內(nèi)的形式有松質(zhì)骨(cancellous bone)和密質(zhì)骨(cortical bone)兩種。松質(zhì)骨主要位于骨骺內(nèi)和骨干的內(nèi)側(cè)面，是由大量針狀或片狀的骨小梁連接而成的多孔網(wǎng)架，形狀似海綿狀，一般具有50-95%的孔隙率。,,骨密質(zhì)位于骨干

6、和骨骺的外側(cè)，其孔隙率(5-10%)比骨松質(zhì)低得多。在顯微水平(微米量級)上，密質(zhì)骨由不同排列方式的骨板構(gòu)成，骨板自外向內(nèi)可分為骨膜、外環(huán)骨板層、哈佛氏系統(tǒng)(Haversian system)和內(nèi)環(huán)骨板層。,,骨的力學(xué)性能,骨的功能與其構(gòu)型密切相關(guān)。骨最顯著的特性是能夠沿著機(jī)械應(yīng)力線產(chǎn)生新骨進(jìn)行自身修復(fù)和調(diào)整，這些性質(zhì)決定了活體骨是一種獨特的結(jié)構(gòu)材料，能夠使健康骨保持高抗疲勞強(qiáng)度，因此骨缺損只發(fā)生在一些極端條件下或發(fā)生在體內(nèi)某種代謝紊亂

7、造成不健康骨存在的部位。對天然骨材料的力學(xué)性能的研究進(jìn)行得比較有限，因為一般骨結(jié)構(gòu)和長骨的小梁結(jié)構(gòu)使骨在對應(yīng)力的行為方面表現(xiàn)為一種各向異性材料，因此各種有關(guān)機(jī)械應(yīng)力值的報道都不同，取決于各自的加載方法。其他影響骨樣品上機(jī)械應(yīng)力計算的因素包括試驗條件、試樣的新鮮程度和被采樣的個體年齡。,表1-1 人體骨的力學(xué)性能,骨缺損修復(fù)的重要性,骨缺損 骨缺損是指由于某種原因骨折端喪失了一些骨質(zhì)而形成的間隙，它在臨床上十分常見，可由多種

8、因素引起，如創(chuàng)傷、骨腫瘤切除之后、骨組織炎癥及先天性缺陷等。長時間過度牽引、不恰當(dāng)?shù)墓潭爸w延長術(shù)引起的骨折端分離等骨折的分離移位也可以認(rèn)為是一種骨缺損。,骨的作用 骨骼是人體的支架，擔(dān)負(fù)著支持、保護(hù)、承重、造血、貯鈣、代謝等功能，是人體重要的組織器官。因創(chuàng)傷、腫瘤、感染、先天性缺陷等原因?qū)е鹿钦?、缺損及病變，是臨床的多發(fā)病癥。大部分不能自愈而需進(jìn)行骨移植。隨著人口老齡化和各種創(chuàng)傷的增加，對生物醫(yī)學(xué)材料尤其是骨替

9、代材料的需要也持續(xù)增長。,骨缺損修復(fù)技術(shù),傳統(tǒng)修復(fù)方法,骨移植方法主要以移植骨為支撐，使宿主的血管和細(xì)胞進(jìn)入移植骨內(nèi)形成新骨，同時移植骨逐漸壞死被吸收，并逐漸被新骨替代，重新建立組織的血運(yùn)系統(tǒng)，使無生物活力的移植骨變成具有正常代謝的骨組織。從骨形成的生物學(xué)特性來看，理想的骨移植物應(yīng)包括三種要素：骨生成性、骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性。標(biāo)準(zhǔn)的骨移植應(yīng)該能修復(fù)骨缺損區(qū)，并最終達(dá)到結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能上同宿區(qū)的骨組織一致。骨移植材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、有潛在的活

10、力，在組織中無不良反應(yīng)(無毒，無免疫原性，不致癌，不致畸)，有一定空間占位作用。臨床上治療大塊骨缺損的傳統(tǒng)移植方法主要有以下幾種 ：,將骨折端修平，對位，固定，使其愈合。這種方法人為地消除缺損，但造成肢體短縮或骨折部位的外形變化，以犧牲肢體長度換取骨折愈合，這對于負(fù)重的肢體來說必將影響其功能，故僅適用于上肢骨缺損的治療；自體骨移植填充骨缺損。自體骨移植效果很好，但無論是自體松質(zhì)骨移植還是皮質(zhì)骨移植，均需手術(shù)取骨，給病人造成醫(yī)源性創(chuàng)傷，

11、而且取骨量有限，故僅適用于較小的骨缺損的治療；,組織工程方法,組織工程三要素： 生物組織的支架材料； 具有特定功能的組織細(xì)胞(亦稱工程細(xì)胞，engineering cells)； 調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖分化的細(xì)胞因子。 這三個要素協(xié)調(diào)組裝的生物替代品(亦稱細(xì)胞復(fù)合體，cellular composites)不僅具有被替代組織(或稱目的組織)的功能，而且與機(jī)體本身具有良好的組織相容性，不發(fā)生排斥反應(yīng)及

12、其它不良反應(yīng) 。,理想的骨組織工程支架 良好的生物相容性； 良好的生物降解性； 具有三維立體多孔結(jié)構(gòu)； 可塑性和一定的機(jī)械強(qiáng)度：支架材料具有具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，為新生組織提供支撐，并保持一定時間直至新生組織具有適當(dāng)力學(xué)特性； 良好的材料細(xì)胞界面：材料應(yīng)提供良好的材料胞作用界面，利于細(xì)胞粘附、生長，更重要的是能活細(xì)胞特異基因表達(dá)，維持正常細(xì)胞的表型表達(dá),常用骨組織工程支架材料

13、 常用的支架材料主要是磷酸鈣陶瓷(如羥基磷灰石、磷酸三鈣、磷酸鈣復(fù)合陶瓷)和可降解高分子(如聚乙醇酸、聚乳酸、聚己內(nèi)酷及膠原等)及其復(fù)合類材料。磷酸鈣作為天然骨的主要成份，與骨組織有一定的親和性，具有良好的生物物相容性和骨傳導(dǎo)性。由于鈣-磷(Ca-P)系材料植入體內(nèi)后表而能形成一個生物活性的無細(xì)胞層，其中富含磷酸鈣、粘多糖及糖蛋白，為膠原和骨礦的沉積提供了適宜環(huán)境。據(jù)資料報道，日前己廣泛應(yīng)用于臨床的骨替換材料及組織工程支架材料

14、中有60%是這類材料。,III 多孔生物陶瓷,鈣磷生物陶瓷的發(fā)展1892年，Dreesman首次發(fā)表了利用硫酸鈣(CaSO4·H20)修復(fù)骨缺損；1920年，Albee發(fā)現(xiàn)磷酸三鈣(Tricalcium phosphate, TCP) 可以刺激骨形成1928年，Leriche和Policard就開始研究和應(yīng)用磷酸鈣作為骨替換材料， 他們希望磷酸鈣在體內(nèi)能夠釋放一些鈣、磷離子，促進(jìn)骨的發(fā)生；1969年,美國佛羅里達(dá)大

15、學(xué)的Hench教授，成功地研究了一種生物玻璃，可用于人體硬組織的修復(fù)，能與生物體內(nèi)的骨組織發(fā)生化學(xué)結(jié)合，從而開創(chuàng)了一個嶄新的生物醫(yī)用材料研究領(lǐng)域—生物活性材料。,1972年，Aoki和Jarcho成功燒結(jié)了羥基磷灰石，制得了羥基磷灰石陶瓷，并在隨后的幾年中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)羥基磷灰石具有良好的生物活性，從此開始了生物活性陶瓷發(fā)展的新紀(jì)元 ；1973年，Driskell等報道了β-Ca3(PO4)2多孔陶瓷植入生物體后，能被迅速吸收，并發(fā)生了骨

16、置換， 稱之為可吸收陶瓷(Absorbable ceramics)，即生物可降解陶瓷； 1976~1981年，Jarcho, Hench, Groot, Daculsi, Osborn等研究證明鈣磷基骨替換材料不僅具有良好的生物相容性，而且具有骨傳導(dǎo)性能，可與宿主骨直接形成骨鍵合，導(dǎo)致骨替換材料和骨之間的緊密結(jié)合,鈣磷陶瓷分類磷酸鈣類：包括磷酸三鈣(α-或β-TCP),磷酸四鈣(Ca4(PO4)2O, TTCP),磷酸氫鈣(CaHP

17、O4, DCP)、水合磷酸鈣(CaHPO4·H2O, DCPD)和無定形磷酸鈣(ACP)等； 雙相磷酸鈣(Biphasic calcium phosphate, BCP)：由β-TCP/HA按不同比例混合而成，如比率為20/80，40/60等；含鈣磷的復(fù)合材料：降解型CPC可與其它無機(jī)材料如石膏、生物玻漓、鋁、 鈦及有機(jī)材料如膠原、樹脂、聚乳酸、聚甲基丙烯酸等相混合而組成復(fù)合物，包括磷灰石/玻璃復(fù)合物、樹脂羥磷灰石(EHA

18、)、膠原羥基磷灰石(CHA)、羥基磷灰石/聚乳酸化合物(HA/PLA)等。,鈣磷陶瓷生物活性概念：“生物活性”是1969年Hench最一早提出，并于次年國際上得到公認(rèn)，使骨替換材料的研究從此進(jìn)入了新紀(jì)元。Hench采用了一個功能化和能夠測定的定義：有利于植入體材料與生物組織形成鍵合的特性為生物活性(A bioactive material is one that elicits a specific biological respon

19、se at the interface of the material which results in the formation of a bond between the tissues and the material),機(jī)理：(1)溶解；(2)從溶液中沉積；(3)在材料和組織界面的離子交換和結(jié)構(gòu)重排；(4)由表面邊界層向材料內(nèi)的內(nèi)擴(kuò)散；(5)溶液介導(dǎo)影響細(xì)胞活性；(6)礦物相或有機(jī)相與材料表面的無結(jié)合沉積；(7)礦物相或有機(jī)相

20、與材料表面的有結(jié)合沉積；(8)向著材料表面的趨化作用；(9)細(xì)胞附著和增殖；(10)細(xì)胞分化；(11)細(xì)胞外基質(zhì)的形成和礦化。,鈣磷生物陶瓷的骨誘導(dǎo)性骨誘導(dǎo)性：1965年Urist成功地用脫鈣骨(DMB)在肌肉內(nèi)誘發(fā)異位成骨并預(yù)一言在DMB中含有一種特殊的蛋白，能誘導(dǎo)新骨形成。1982年從牛骨中提取了具有能誘導(dǎo)骨生長能力的活性蛋白—骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone morphogenetic protein, BMP) ，闡述了骨修復(fù)的新概

21、念—誘導(dǎo)成骨：材料誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞直接分化為骨母細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞或成骨細(xì)胞，最后形成骨組織的現(xiàn)象。并提出發(fā)生骨誘導(dǎo)必須具有三個條件：(1)存在可分化為成骨細(xì)胞的間充質(zhì)細(xì)胞(即靶細(xì)胞)；(2)存在引導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的生物化學(xué)信號，如骨生長因子；(3)適當(dāng)?shù)某晒黔h(huán)境。,鈣磷生物陶瓷可傳導(dǎo)骨生長，即具有骨傳導(dǎo)性，但是否可具有骨誘導(dǎo)性一直是爭論的問題 1911年Wells在Archives of Internal Medicine一書

22、中提出磷酸鈣鹽有可能對新骨的發(fā)生有誘導(dǎo)作用； Piecuch研究了珊瑚轉(zhuǎn)化的羥基磷灰石植入犬的腋下的皮下，8個星期后組織學(xué)觀察，未見新骨生成 ；Misiek等報告了光滑和粗糙的致密羥基磷灰石植入犬的口腔軟組織中，6個月后觀察到植入體被纖維組織包裹，而沒有骨組織生成 ；1988年Heughebeart等研究發(fā)現(xiàn)，磷酸鈣陶瓷植入動物非骨部位后，其表面形成骨樣沉積物；Yamaxhaki發(fā)現(xiàn)，多孔羥基磷灰石顆粒具有骨誘導(dǎo)能力，致密體則沒

23、有,四川大學(xué)的張興棟于1991年報道了多孔磷酸鈣生物陶瓷植入動物的肌肉后2個月，組織學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)新骨的形成。他認(rèn)為：骨誘導(dǎo)與動物的種類、植入時間的長短及材料學(xué)因素等有關(guān)。β-TCP只有骨傳導(dǎo)性而沒有骨誘導(dǎo)性，降解速度較快，HA則具有骨誘導(dǎo)性，降解速度較慢。因此他認(rèn)為β-TCP/HAP的復(fù)合材料是一種較理想的生物降解材料。 但Yuan則認(rèn)為β-TCP具有骨誘導(dǎo)性，另有一些學(xué)者則認(rèn)為HAP和β-TCP都沒有骨誘導(dǎo)性，

24、骨誘導(dǎo)性來源于BMP。對這些相互矛盾的觀點有待就其機(jī)理進(jìn)行深入研究。 研究表明，不管鈣磷材料本身是否具有骨誘導(dǎo)性，其作為基體材料對于信號分子作用的有效發(fā)揮具有舉足輕重的影響,多孔生物陶瓷制備技術(shù),骨組織工程支架必須具有適宜的多孔結(jié)構(gòu)，Holy等研究顯示孔隙的形狀和大小對種子細(xì)胞的附著和長期生存，分化具有深遠(yuǎn)的意義。但在適宜的孔徑大小方面一直存在爭議。Dahl等認(rèn)為孔徑在100μm以上才能使成骨細(xì)胞在孔隙中進(jìn)行游

25、走，并為骨組織的長入提供理想的場所。Porter等則認(rèn)為孔徑大于200μm是骨傳導(dǎo)的基本要求， 200~400μm時最有利于新骨的生長。但是影響骨組織長入孔洞內(nèi)的因素不單單只有孔徑因素，孔隙之間的相互連通和連通通道的大小也起到至關(guān)重要的作用?？紫堕g的良好連通和適宜的孔隙大小利于細(xì)胞的新陳代謝，營養(yǎng)運(yùn)輸和廢物排泄，利于后期血管的侵入，新骨的形成。此外在保證支架材料足夠的強(qiáng)度的情況下盡量提高材料的孔隙率，有利于增大支架材料的表面積。目前有多

26、種制備高聯(lián)通孔隙生物陶瓷的方法,有機(jī)泡沫浸漬工藝 有機(jī)泡沫浸漬工藝是Schwartzwalder于1963年發(fā)明出來的。該工藝是用有機(jī)泡沫浸漬陶瓷漿料、溶膠-凝膠和膠體溶液，干燥后燒掉有機(jī)泡沫，獲得開孔三維網(wǎng)狀多孔陶瓷的一種方法。經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展，已用于制備多孔生物陶瓷 。 Hassna等將β-TCP粉體混合粘結(jié)劑、去離子水，并加入5%的HA納米纖維為增強(qiáng)相，調(diào)制成陶瓷漿料，將處理好的聚氨脂泡沫浸入陶瓷料漿中，等

27、泡沫完全浸漬后取出，將多余料漿壓出，并破壞料漿膜，使成形體組織結(jié)構(gòu)均勻。在空氣中自然干燥后，以小于1℃/min的速度升溫?zé)?，使泡沫揮發(fā)，制成平均孔徑為300~400μm，平均孔隙率為73±0.4%的多孔雙相生物陶瓷。,添加造孔劑工藝 該工藝通過在陶瓷配料中添加造孔劑，利用這些造孔劑在高溫下燃盡或揮發(fā)而在陶瓷體中留下孔隙。其工藝與普通陶瓷工藝相似，關(guān)鍵在于造孔劑種類和用量的選擇。造孔劑顆粒的形狀和大小決定了

28、多孔陶瓷材料氣孔的形狀和大小。造孔劑的種類有無機(jī)和有機(jī)兩類，無機(jī)造孔劑有碳酸銨、碳酸氫銨、氯化銨等高溫可分解的鹽類，以及煤粉、碳粉等。有機(jī)造孔劑主要是天然纖維、高分子聚合物和有機(jī)酸，如聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯醇縮丁醛、甲基纖維素、硬脂酸、尿素等。 Engin等羥基磷灰石粉末與甲基纖維素粉末混合后，再與去離子水混合成漿料，經(jīng)超聲震動脫氣，在烘箱中50℃-90℃慢慢地烘干，然后以0.5℃/min的速度升溫至250℃，再以3℃/

29、min的速度升溫到1250℃，保溫3h，隨爐冷卻到室溫?？色@得孔隙度60%-90%，孔徑100-250μm，互通性良好的多孔羥基磷灰石陶瓷。,化學(xué)發(fā)泡工藝 化學(xué)發(fā)泡法是將在較高溫度能夠分解產(chǎn)生氣體或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體的化學(xué)物質(zhì)與生物陶瓷石粉體漿料混合成型，在一定溫度下加熱處理發(fā)泡，再燒結(jié)產(chǎn)生大孔陶瓷。要求發(fā)泡劑的殘留物不影響陶瓷的性能和組成，或殘留物經(jīng)簡單的水洗可以除去常用的發(fā)泡劑是過氧化氫(H2O2)，利用H2O2

30、分解產(chǎn)生氣體而形成多孔生物陶瓷體。Melba等以CaCO3，NH4H2PO4， Na2CO3 和TiO2為原料，加入40% H2O2為發(fā)泡劑，制備了孔隙率為44-50%，孔徑尺寸在20-500μm的鈣磷基生物玻璃陶瓷，并通過改變熱處理條件來控制玻璃的成分。MTT實驗結(jié)果表明，該多孔生物玻璃陶瓷適合細(xì)胞的生長。,溶膠-凝膠工藝 溶膠-凝膠工藝是一種制備微孔多孔陶瓷的通用方法，這種方法主要以無機(jī)鹽或醇鹽為先驅(qū)體，先驅(qū)體水解得到溶膠，

31、再通過凝膠和熱處理獲得多孔陶瓷； 加水量、催化劑、溶液的pH值、化學(xué)添加劑、干燥制度以及燒成溫度等都是影響溶膠-凝膠法所得多孔陶瓷材料性能的主要因素； Zhong等通過化學(xué)反應(yīng)法形成玻璃溶膠，然后在溶膠干燥過程中采用酒精浸泡、濕氣干燥方法，得到了無裂紋的多孔生物活性玻璃 。,快速自動成型(Rapid Prototyping, RP) RP技術(shù)是最早于1987年出現(xiàn)的應(yīng)用于制造業(yè)的高新技術(shù)，RP技術(shù)的

32、本質(zhì)是用積分法制造三維實體。在成型過程中，先由三維造型軟件在計算機(jī)中生成部件的三維實體模型，然后將其用軟件“切”出設(shè)定厚度的一系列片層(幾十μm)，再將這些片層的數(shù)據(jù)信息傳遞給成型機(jī)，通過材料逐層添加法制造出來，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。 Wilson等綜合了快速成型技術(shù)和凝膠注模成型技術(shù)提出了三維凝膠成型技術(shù)。用石蠟制造造孔模型，在海藻酸鈉和氯化鈣凝膠體系作用下，根據(jù)三維CAD模型，使羥基磷灰石(HA)漿料在三維

33、凝膠疊層機(jī)上按照一定的圖形逐層凝膠，形成了具有所要求形狀的多孔羥基磷灰石生物陶瓷。,多孔生物陶瓷制備工藝的比較,(a)有機(jī)泡沫浸漬工藝；(b)甲基纖維素造孔；(c)蔗糖造孔；(d)聚乙烯微球造孔；(e)雙氧水發(fā)泡工藝；(f)溶膠-凝膠工藝；(g)快速自動成型工藝,,,,,,,,研究結(jié)果,HA/TCP的典型外觀,孔徑： 1mm， 300-500μm,支架的成分分析,(a) HA與TCP按1：1物理混和； (b) H

34、A/TCP支架坯體80℃烘干；(c) 1100 ℃燒結(jié)； (d) 支架經(jīng)300r/min球磨5h。,HA/TCP支架的形貌,支架的表面形貌,泡沫的表面形貌,成功完成了對泡沫孔隙的復(fù)制但是，實體收縮：11-15% 多孔支架收縮：21-24%故， 孔徑有所減小。,支架的斷面形貌,小梁部分的微觀結(jié)構(gòu),支架的孔隙HA/TCP支架由三種孔隙組成，300-500μm，開