新型一體化骨與軟骨組織嵌層修復(fù)材料的設(shè)計與研制.pdf

1、軟骨損傷是骨科較為常見的疾患。創(chuàng)傷、骨軟骨炎、骨性關(guān)節(jié)炎、骸骨軟化等均可引起軟骨以及軟骨下骨的損傷和／或缺損。由創(chuàng)傷和社會老齡化造成的骨與軟骨的發(fā)病率不斷升高，尤其是關(guān)節(jié)軟骨的病變明顯增多，因而在世界范圍內(nèi)這類患者人數(shù)眾多。世界衛(wèi)生組織已宣言2000-2010年是骨和關(guān)節(jié)的十年。1743年Hunter提出軟骨一旦破壞即不可自身修復(fù)，兩百多年過去了，至今對軟骨缺損的修復(fù)仍無理想的辦法。研究表明，成年人關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)能力非常有限，直徑<3mm

2、可部分或全部自修復(fù)，直徑>3mm不能自修復(fù)。一系列的實驗證實對較深和較大面積的關(guān)節(jié)透明軟骨很難進行修復(fù)，長時間將發(fā)展成關(guān)節(jié)炎。 在我國，創(chuàng)傷引起的軟骨損傷每年大約影響十萬人的生活；而骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率約為人口的9.6％，約有1.2億患者，每年大約有五萬人需要做膝關(guān)節(jié)置換術(shù)。軟骨假體置換和軟骨組織工程的發(fā)展將改善人們的生活質(zhì)量，并將在一定程度上減少社會醫(yī)療費用的支出。因此跟蹤世界軟骨工程技術(shù)的發(fā)展，并創(chuàng)新制造我國自主產(chǎn)權(quán)的軟骨假體和

3、軟骨組織工程技術(shù)和產(chǎn)品是我國軟骨工程研究必須解決的問題。 在骨科臨床治療中，經(jīng)常遇到患者同時存在骨與軟骨組織的缺損，需要同時完成缺損組織的修復(fù)，單一成分的人工骨或人工軟骨移植因此受到極大的挑戰(zhàn)。本研究擬研制一種新型一體化骨與軟骨損傷修復(fù)材料，設(shè)計和制備出能分別長入骨并修復(fù)或替代軟骨組織的新型嵌層生物材料，該種嵌層生物材料采用多層結(jié)構(gòu)，底層為適合長入骨組織的多孔n-HA／PA66復(fù)合材料，上層為能修復(fù)或替代軟骨組織的PVA或n-H

4、A／PVA復(fù)合物多孔材料，上層PVA或n-HA／PVA水凝膠牢固附著在n-HA／PA66多孔基底上。本論文主要包含的研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 新型一體化骨與軟骨組織嵌層修復(fù)材料的設(shè)計與研制1．聚乙烯醇(PVA)水凝膠具有類似于天然軟骨的多微孔組織，內(nèi)含大量的水，是一種可滲透材料。在載荷作用下，液體可以滲入和擠出，從材料中擠出的液體被卷吸作為潤滑劑。采用反復(fù)冷凍及真空脫水處理方法獲得的PVA水凝膠材料，能使PVA水凝膠結(jié)晶度增加，力學(xué)

5、性能提高。當(dāng)聚乙烯醇濃度為20wt％，真空脫水12h時，抗拉強度達5.9MPa，和人關(guān)節(jié)軟骨相近。 2．通過原位合成方法合成了n-HAIPVA復(fù)合水凝膠，通過調(diào)節(jié)聚乙烯醇、納米羥基磷灰石和水的含量，制備了不同含水量和不同配比的復(fù)合水凝膠。用TEM、IR、XRD和燃燒實驗等對材料的結(jié)構(gòu)和組成進行了表征，并對復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性進行了研究。結(jié)果表明，PVA高分子空間三維結(jié)構(gòu)對羥基磷灰石晶體的水熱生長有一定影響；復(fù)合水凝膠中n-HA與P

6、VA有一定鍵合；n-HA/PVA復(fù)合水凝膠材料組成均一，各相比例易于調(diào)控，復(fù)合材料具有良好的穩(wěn)定性和加工生能。 n-HA/PVA復(fù)合水凝膠的力學(xué)測試表明，在10wt％的水凝膠中，當(dāng)生成的羥基磷灰石含量在10wt％以下時，抗拉強度隨羥基磷灰石的增加而增大，之后至20wt％時，抗拉強度呈下降趨勢，但抗壓強度隨羥基磷灰石的增加而上升。說明羥基磷灰石的含量對復(fù)合水凝膠的力學(xué)強度有很大影響。 3．采用乳化發(fā)泡一冷凍固化一去表面活性

7、劑方法，制備了PVA和n-HA/PVA兩種多孔材料。所得樣品的孔徑均勻，孔隙率高，孔之間相互貫通性好，是一種制備多孔材料的新方法。實驗探討了表面活性劑OP、聚乙烯醇濃度、納米羥基磷灰石含量、攪拌速度對成孔的影響，實驗發(fā)現(xiàn)：①表面活性劑對PVA和n-HA/PVA多孔材料的孔徑和孔隙率都有重要的影響，在一定范圍內(nèi)，表面活性劑越多，孔徑越大，孔隙率也越高；②聚乙烯醇的濃度也對孔徑和孔隙率有影響，低濃度有利于形成大孔和高的孔隙率，高濃度有利于形

8、成小孔和低的孔隙率；③羥基磷灰石因能吸附表面活性劑，對形成孔有一定阻礙作用，其濃度的增減對孔徑和孔隙率有一定的影響；④攪拌速度的適當(dāng)提高有利于形成大孔和高的孔隙率，但要得到分布均勻、形態(tài)良好的孔結(jié)構(gòu)，必須選擇一個最佳的攪拌速度。 4．使用漿料共混復(fù)合法制備了n-HA/PA66復(fù)合材料，n-HA的高表面活性及PA66的極性使兩者更容易混合均勻，從而在兩者之間形成良好的化學(xué)界面。 n-HA在復(fù)合材料中分布均勻，和PA66發(fā)生

9、了相互作用，使復(fù)合材料能更好地傳遞外應(yīng)力，達到既增強又增韌的目的。采用水溶性高分子聚乙烯吡咯烷酮和氯化鈉混合物作致孔劑，通過粒子瀝濾法制備了n-HA／PA66多孔材料。該多孔材料呈高度多孔結(jié)構(gòu)，孔的貫通性較高。聚乙烯吡咯烷酮和氯化鈉的質(zhì)量比為l:8時，所制得的多孔材料孔隙率和貫通性均較高，力學(xué)強度也達到最高(5.3MPa)，可滿足骨組織工程的要求。 5．對PVA和n-HA／PVA兩種多孔材料進行了肌肉植入實驗。實驗結(jié)果顯不：①從炎性反應(yīng)

10、看，僅在第1周見少量炎性細(xì)胞，第4、12周均未見明顯炎性細(xì)胞，觀察期內(nèi)均未見巨噬細(xì)胞，材料周圍纖維包裹隨時間推移有變薄的趨勢，說明兩種材料炎性反應(yīng)均較輕。②從組織長入看，PVA和n-HA／PVA多孔材料在3個時間點均有大量纖維組織、成纖維細(xì)胞長入，并有一定血管長入。綜上所述，從組織學(xué)看，兩種多孔材料均有良好的生物相容性，適合軟組織長入。 6．一體化骨與軟骨組織修復(fù)材料中，適合骨長入部分選用60wt％n-HA／PA66復(fù)合材料，