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

【關(guān)鍵詞】 生物醫(yī)學(xué)材料；納米羥基磷灰石；殼聚糖；復(fù)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(dǎo)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(qiáng)度，但其易發(fā)生脆性斷裂和疲勞破壞，而且陶瓷燒結(jié)體中的HA顆粒結(jié)晶較好，均在微米以上尺寸，與天然骨磷灰石相去甚遠(yuǎn)。從仿生學(xué)角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)保持骨替代物中HA呈納米狀態(tài)，所以在制備骨修復(fù)材料時只能選擇HA非燒結(jié)體或HA漿料，盡可能避免HA顆粒發(fā)生團(tuán)聚。但是HA制品只有通過燒結(jié)才能獲得較好的力學(xué)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(fù)。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(jī)物和有機(jī)物之間奇特的相互作用而成的具有優(yōu)異力學(xué)性能的生物復(fù)合物，其中的無機(jī)相呈納米狀態(tài)分散在有機(jī)相中，起彌散增強(qiáng)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(chǎn)物。HA－CS復(fù)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(yīng)的智能特征，為生物材料的設(shè)計帶來更大的空間，HA-CS復(fù)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(jī)械或化學(xué)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(fù)合結(jié)為一體的方法，基本設(shè)計思想是將HA的前驅(qū)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(yù)期復(fù)合粉體有較好的均勻性。為了進(jìn)一步調(diào)整粉體的微觀尺寸，將共沉淀出來的粉體再進(jìn)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(jì)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(jìn)行晶粒觀察，應(yīng)用Quanta-400掃描電鏡進(jìn)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(fù)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(xué)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?jǐn)嚢瑁玫紹液。整個反應(yīng)在室溫下進(jìn)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(jié)果

2.1 TEM觀察

n-HA 及n-HA/ CS 復(fù)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(fù)合材料的TEM照片?？梢钥闯鰊－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(dāng)加入殼聚糖后，顆粒變得纖細(xì)，并呈梭狀，但仍在納米范圍內(nèi)，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(fù)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(xué)計量的弱結(jié)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(fù)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(qiáng)度都有不同程度的弱化，這與二者的含量高低有關(guān)。

2.3 SEM觀察

掃描電鏡觀察復(fù)合材料具有多孔結(jié)構(gòu)(圖3a～b)，孔徑為100～500μm，大多數(shù)孔徑為400～500μm。材料孔內(nèi)無HA晶體聚集，孔壁上有大量細(xì)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(jī)-有機(jī)復(fù)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(fù)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(fù)合材料中分散良好。在n-HA/CS復(fù)合材料體系中，當(dāng)殼聚糖含量較高時， 細(xì)小的n-HA顆粒以填充相均勻分散在連續(xù)有機(jī)基體中，但隨著殼聚糖含量下降，有機(jī)相不足以將n-HA顆粒完全包裹，僅作為粘結(jié)劑將無機(jī)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(xué)計量的弱結(jié)晶含碳酸納米晶體，由于晶格缺陷，該n-HA比高結(jié)晶度HA的溶解度高。因此，當(dāng)n-HA/CS復(fù)合材料植入體內(nèi)后，表面的n-HA微粒在生理介質(zhì)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(dāng)其作為組織工程支架植入體內(nèi)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(jìn)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(xì)胞的黏附、生長和分化［10-11］，所以n-HA/CS復(fù)合材料植入體內(nèi)后將可以有效地促進(jìn)骨的修復(fù)和重建。

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