納米羥基磷灰石-聚醚醚酮生物復(fù)合材料的性能研究.pdf

1、目前用于人體骨組織替代與修復(fù)的人工合成生物材料主要包括陶瓷、金屬、高聚物等。由于使用單一材料往往無(wú)法同時(shí)滿足臨床應(yīng)用中對(duì)于材料機(jī)械性能和生物活性的雙重要求,因此研究生物復(fù)合材料十分必要。具有生物活性的無(wú)機(jī)粒子增強(qiáng)高分子聚合物作為骨移植與修復(fù)材料能夠最大限度模擬人體骨的結(jié)構(gòu),可以達(dá)到性能上的最大匹配。而納米無(wú)機(jī)顆粒能明顯增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料力學(xué)性能。所以本論文對(duì)納米羥基磷灰石/聚醚醚酮復(fù)合材料制備,以及材料的相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、生物

2、相容性和生物活性進(jìn)行了全面研究。
　　本研究采用水熱合成的方法制備納米羥基磷灰石(nanosized hydroxyapatite,n-HA)粉體。通過(guò)X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)、紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)、透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)等手段重點(diǎn)研究了溶液中不同

3、無(wú)機(jī)離子及水熱溫度對(duì)于納米羥基磷灰石產(chǎn)物形貌的影響。結(jié)果表明,水熱溫度為150℃時(shí),納米羥基磷灰石形貌受溶液中不同無(wú)機(jī)離子影響明顯;水熱溫度升高到180℃時(shí),晶體沿長(zhǎng)軸方向持續(xù)生長(zhǎng),溶液中不同無(wú)機(jī)離子對(duì)納米羥基磷灰石形貌影響弱化。本研究表明,在不添加有機(jī)表面活性劑的情況下,通過(guò)加入不同無(wú)機(jī)離子和改變水熱溫度,能成功制備不同形貌、結(jié)晶完整、性能穩(wěn)定的n-HA粉體,避免了以往研究中引入有機(jī)表面活性劑制備柱狀納米羥基磷灰石造成的對(duì)生物安全性的

4、不確定性。
　　采用柱狀納米羥基磷灰石粉體,按照不同的體積比例與聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)混合,通過(guò)球磨、混合、注射成型,成功制備了不同HA體積含量的納米羥基磷灰石/聚醚醚酮(n-HA/PEEK)復(fù)合材料,使用X射線衍射、差熱掃描(differential scanning calorimetry,DSC)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)、透射

5、電子顯微鏡等手段對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,不同HA體積含量的n-HA/PEEK復(fù)合材料能夠成功制得:制備過(guò)程中,n-HA和PEEK之間為機(jī)械結(jié)合,5％n-HA/PEEK復(fù)合材料的結(jié)晶情況最好,機(jī)械性能最佳。
　　采用《醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》推薦的實(shí)驗(yàn)方法,通過(guò)熱源實(shí)驗(yàn)、溶血實(shí)驗(yàn)、致敏實(shí)驗(yàn)、遺傳毒性實(shí)驗(yàn)和體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn),以PEEK為參照,對(duì)制備的不同HA體積含量的n-HA/PEEK復(fù)合材料進(jìn)行生物安全性評(píng)價(jià)。結(jié)果說(shuō)明:不同

6、HA含量的n-HA/PEEK生物復(fù)合材料均符合醫(yī)療器械安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　選用骨形成主要功能細(xì)胞-成骨細(xì)胞,與PEEK、不同配比的n-HA/PEEK生物復(fù)合材料及其浸提液共培養(yǎng),通過(guò)CCK-8試劑法、堿性磷酸酶活性檢測(cè)和染色、茜素紅染色,研究 PEEK和n-HA/PEEK生物復(fù)合材料對(duì)成骨細(xì)胞粘附、增殖、堿性磷酸酶活性和礦化功能的影響。結(jié)果證明:PEEK和不同配比的n-HA/PEEK生物復(fù)合材料浸提液對(duì)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖、分

7、泌堿性磷酸酶和礦化能力沒(méi)有影響,具有良好的成骨細(xì)胞相容性;在PEEK和n-HA/PEEK生物復(fù)合材料表面,HA體積含量為5%時(shí)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)略有優(yōu)勢(shì)。
　　同樣采用生物學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)推薦的體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)方法,將 PEEK和不同HA含量的n-HA/PEEK生物復(fù)合材料植入新西蘭兔脛骨內(nèi),16周取出材料,通過(guò)推出實(shí)驗(yàn)、組織病理學(xué)觀察和掃描電鏡觀察,評(píng)價(jià)植入材料與周圍骨組織的生物連接情況。結(jié)果表明:5%n-HA/PEEK復(fù)合材料與骨交界處新骨

8、的生長(zhǎng)情況最優(yōu)。
　　本研究成功制備了n-HA/PEEK生物復(fù)合材料,并觀察到加入少量(如5%) n-HA的PEEK復(fù)合材料具有最優(yōu)的生物活性,克服了以往羥基磷灰石/聚合物復(fù)合材料生物活性研究?jī)H限于摻入大量HA(如20%)造成的局限性?？紤]到大量摻入HA必然造成聚合物復(fù)合材料力學(xué)性能的顯著下降,本研究成果尤為重要。因?yàn)楸狙芯拷Y(jié)果表明,5%n-HA/PEEK復(fù)合材料同時(shí)具有最優(yōu)的力學(xué)性能,如高拉伸強(qiáng)度、高斷裂能和具有塑性等,為進(jìn)一步