【摘要】 目的：研究合理人工骨復合生物材料的制備及性能。方法：應用共沉淀法制備納米羥基磷灰石/殼聚糖復合材料，并采用TEM、SEM、XRD等手段對材料晶相組成、微觀結構、晶粒大小進行分析表征。結果：復合材料中的羥基磷灰石為類似于自然骨礦物相的弱結晶含碳酸納米晶體，并均勻分散于有機相殼聚糖中。結論：該復合材料可作為骨組織替代材料。

【關鍵詞】 生物醫(yī)學材料；納米羥基磷灰石；殼聚糖；復合材料；共沉淀

Abstract Objective:Preparation and Characterization of reasonal artificial bone biomaterial.Methods:Nano-hydroxyapatite/chitosan composites were prepared through a co-precipitation method. The properties of these composites were characterized by means of TEM ，SEM， XRD test machine.Results:The HA synthesized here was poorly crystalline carbonated nanometer crystals and dispersed uniformly in chitosanp hase and there was no phase-separation between the two phases.Conclusion:The HA composite material can be use for bone organize substitute material.

Key words Biomedical material; Nano-hydroxyapatite;Chitosan;Composite material;Co-precipitation

由于羥基磷灰石(Hydroxyapatite，簡稱HA)具有良好的生物相容性和生物活性以及骨傳導性，與自然骨礦物相組分的相似性，因而在眾多的人工合成骨替代物中脫穎而出，倍受矚目［1-4］。雖然HA陶瓷具有較高的抗壓強度，但其易發(fā)生脆性斷裂和疲勞破壞，而且陶瓷燒結體中的HA顆粒結晶較好，均在微米以上尺寸，與天然骨磷灰石相去甚遠。從仿生學角度出發(fā)，應當保持骨替代物中HA呈納米狀態(tài)，所以在制備骨修復材料時只能選擇HA非燒結體或HA漿料，盡可能避免HA顆粒發(fā)生團聚。但是HA制品只有通過燒結才能獲得較好的力學性能，單純的HA粉體或漿料成形困難，而且承受外力和液體沖刷的能力極差，不能用作承重骨組織的修復。自然界中一些生物體(如動物骨組織、貝殼、珍珠等)是通過無機物和有機物之間奇特的相互作用而成的具有優(yōu)異力學性能的生物復合物，其中的無機相呈納米狀態(tài)分散在有機相中，起彌散增強的作用［5-6］。殼聚糖(Chitosan，簡稱CS)是自然界中少見的一種帶正電荷的堿性多糖，是甲殼素(Chitin)的脫乙酰化產物。HA－CS復合材料除了生物相容性、降解性俱佳外［7］，而且還具有pH-體積溶脹響應的智能特征，為生物材料的設計帶來更大的空間，HA-CS復合生物材料的制作大多將HA粉體與殼聚糖的酸溶液通過機械或化學方式混合成膏狀體，然后注成型。本文嘗試將HA粉制備與成分的復合結為一體的方法，基本設計思想是將HA的前驅液與殼聚糖的酸溶液混合，以尿素為沉淀劑，加熱，尿素分解，體系pH值升高使HAP與殼聚糖先后沉淀出來，由于混合方式為溶液混合，因而預期復合粉體有較好的均勻性。為了進一步調整粉體的微觀尺寸，將共沉淀出來的粉體再進行水熱陳化處理。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Ca(HO)2、H2PO4、醋酸溶液均為分析純，80目的殼聚糖粉末（脫乙酰度為90%，購自濟南海得貝生物工程有限公司），以及實驗中所用的其它試劑均為分析純。利用JEM2100CXⅡ型透射電鏡(JEOL公司，日本)進行晶粒觀察，應用Quanta-400掃描電鏡進行形貌和孔隙率分析，利用PHILIPS AUTOMATED X-RAY POWDER DIFFRACTOMETER SYSTEM APD-10測定HA/CS樣品的X射線衍射譜。

1.2 納米羥基磷灰石/殼聚糖復合材料的制備

(1)多孔羥基磷灰石的合成。按照羥基磷灰石（簡稱HA）的化學計量比Ca/P = 1.67 稱取合適量的Ca(OH)2和H3PO4，以過氧化氫為發(fā)泡劑，并將Ca(OH)2溶于乙二醇中配成5%的懸浮液，得到A液，備用。(2)羥基磷灰石/殼聚糖的合成。將磷酸稀釋為10%的水溶液，然后按照n-HA/CS 重量比分別為80/20、70/30、60/40、50/50、40/60、30/70的6種比例稱取殼聚糖粉末，并將其溶于2%醋酸水溶液，連續(xù)攪拌5h，過濾得到完全透明的3%殼聚糖溶液。將配好的磷酸溶液傾入殼聚糖溶液中，充分攪拌，得到B液。整個反應在室溫下進行，在劇烈攪拌下將B液緩慢滴入A液中，該過程pH值保持在10左右，滴加速度4mL/min。滴加完畢，繼續(xù)攪拌24h，所得漿料室溫下陳化1d。將沉淀過濾、洗滌，于80℃真空烘干，并研磨成粉。再分別在300℃、600℃、800℃馬弗爐中煅燒2h后制成樣品。

2 結果

2.1 TEM觀察

n-HA 及n-HA/ CS 復合材料的透射電鏡照片如圖1所示。其中圖1(a)是在室溫條件下合成的n-HA的TEM照片，圖2（b）是共沉淀法合成的n-HA/CS復合材料的TEM照片。可以看出n－HA粉末呈納米級的短棒狀晶體，其平均尺寸大約為10nm×30nm。這些n-HA顆粒具有較好的分散性，表現(xiàn)出相對均勻的形貌。當加入殼聚糖后，顆粒變得纖細，并呈梭狀，但仍在納米范圍內，平均尺寸大約20mm×80nm。可能是殼聚糖的加入加速了n－HA沿c軸(002)方向的生長。

2.2 XRD圖譜

n-HA/CS不同比例復合材料的XRD圖譜見圖2。從圖2a中可以觀察到n-HA的各個特征衍射峰，但這些峰都發(fā)生寬化，表明合成的n-HA呈非化學計量的弱結晶狀態(tài)。圖2中在2θ=10°和20°處的兩個峰是殼聚糖的兩個特征衍射峰。復合材料圖譜中(圖2b、c、d、e、f)也都出現(xiàn)n-HA和殼聚糖的特征衍射峰，但峰的強度都有不同程度的弱化，這與二者的含量高低有關。

2.3 SEM觀察

掃描電鏡觀察復合材料具有多孔結構(圖3a～b)，孔徑為100～500μm，大多數(shù)孔徑為400～500μm。材料孔內無HA晶體聚集，孔壁上有大量細小的HA晶體連續(xù)、均勻分布，猶如“鋪路石”狀緊密鑲嵌在孔壁上(圖3b)。材料具有很高的孔隙率，而隨著CS含量的增加，支架的孔壁增厚，孔隙率降低，密度升高。

3 討論

兩相之間的相容性一直是無機-有機復合材料體系需要解決的首要問題。本文合成的各種比例的n-HA/CS復合材料中都沒有相分離現(xiàn)象發(fā)生。SEM也證明，n-HA顆粒在復合材料中分散良好。在n-HA/CS復合材料體系中，當殼聚糖含量較高時， 細小的n-HA顆粒以填充相均勻分散在連續(xù)有機基體中，但隨著殼聚糖含量下降，有機相不足以將n-HA顆粒完全包裹，僅作為粘結劑將無機粒子均勻地粘附在一起。

殼聚糖通過胺基與金屬離子之間的相互作用可以形成殼聚糖-金屬螯合物。在共沉淀過程中，殼聚糖的瞬時沉積將n-HA微粒包裹在聚合物纖維之間。由于Ca2+與乙醇中-OH之間的螯合作用，所以Ca(OH)2在乙醇中的溶解度較之在水中的高，而且乙醇的分散效果也較水的分散性能好，因此，本文選用乙醇做Ca(OH)2的溶劑。TEM及XRD分析都表明，共沉淀法合成的HA是類似于自然骨磷灰石的非化學計量的弱結晶含碳酸納米晶體，由于晶格缺陷，該n-HA比高結晶度HA的溶解度高。因此，當n-HA/CS復合材料植入體內后，表面的n-HA微粒在生理介質作用下緩慢溶解，使材料周圍的Ca2+、P離子濃度局部升高；反過來，這些n-HA顆粒又為Ca2+、P離子的沉積提供活性位點，從而在材料表面形成一層類骨磷灰石。殼聚糖具有良好的生物降解特性，當其作為組織工程支架植入體內后，殼聚糖的降解為新骨的生長提供足夠的空間，直至完全被新骨替代。有研究證實殼聚糖還有促進磷灰石和方解石沉積的作用，而且殼聚糖的表面是親水性的，有利于細胞的黏附、生長和分化［10-11］，所以n-HA/CS復合材料植入體內后將可以有效地促進骨的修復和重建。

本文通過共沉淀法合成了不同比例的n-HA/CS復合材料，其中HA為弱結晶含碳酸的納米晶體，均勻分散在復合材料基體中。復合材料中兩相間較強的相互作用賦予材料良好的力學性能，該復合材料作為骨組織替代材料將具有很大的研究價值及應用潛力，對植入體內后將會引導新骨的生長，促進骨缺損的修復和愈合的進一步研究提供了理論研究。