壳聚糖/羟基磷灰石骨修复材料的研究进展(下)

2013-04-27

324 交替沉积法

    交替沉积法类似于聚电解质的层层自组装技术,将CS基质交替浸泡到钙离子和磷酸根离子溶液中,反复多次即可得到CSHA复合材料。

Taguehi等首先用交替沉积法(4)在聚乙烯醇(PVA)改性聚乙烯膜表面沉积出HA,并研究了HA厚度与循环次数、沉积温度和沉积液浓度之间的关系。随着交替循环次数的增加和沉积液浓度的增大,沉积的HA增厚;而沉积温度升高不会改变HA的厚度,只会提高HA的结晶性能。Tachaboonyakiat等采用简易交替沉积法制备HA CS复合材料,即将CS膜依次浸泡到O2 mol/L  CaCl2/Tris HCl(pH74)O12 moI/L  Na2HPO4(pH74)溶液中,多次循环,CS表面沉积了纳米HA涂层。XRD验证了CS膜上的无机物层为纳米HA,但结晶性较差。此外,还发现通过调控沉积液浓度和沉积次数可控制沉积纳米HA层的厚度。

 

                            

 

325 原位沉析法

    原位沉析法是在模具内壁预先沉积一层CS膜,复合过程中CS膜可以控制OH扩散速度,使CS分子沉积和前驱体转化为HA的过程缓慢有序地进行,另外膜也为CS分子链存负电层诱导下的有序沉积提供了模板。pH值改变时,质子化的CS存负电层诱导下有序沉积并形成层状结构,HA前驱体在扩散进来的OH作用下原位生成磷酸钙盐.从而保汪HA以纳米尺寸均匀分散在CS中,并与CS一起沉析得到CSHA复合材料。原位沉析法制备的材料具有层状结构并实现了HACS的分子级复合。

    卢晓英等以原位沉积法为基础,采用水热处理法制备 CSHA复合材料。实验表明.复合材料由CS晶体和低结晶复的HA晶体所组成,且纳米级的HA晶体均匀分布在CS分子中,并出现沿c轴方向择优生长的趋势。

除了上述方法外,CSHA复合材料还有其他一些制备方法,如电化学沉积法、注浆法、相分离法、湿纺法、仿生法等,而且可以将两种甚至多种制备方法结合使用,以制备H。满足组织T程需要的不同性能、结构的材料。

33 羟基磷灰石/壳聚糖复合材料的性能

331  力学性质

    密质骨的弯曲强度为110200 MPa,弯曲模量为1020 GPa;松质骨的弯曲强度一般在20 MPa左右,弯曲模量在2 GPa左右,压缩强度在17 MPa左右。理想的骨修复材料力学性能应陔与天然骨相匹配,如果骨修复材料的弹性模量高于天然骨会造成骨质吸收,而复合材料弹性模量过低又不能起到刺激骨生长的作用。

    张利等通过共沉淀法制备的CS/HA复合材料压缩强度最高可达120 MPa左右。Li等采用原位沉析法制备的CS/HA复合材料的弯曲强度为678 MPa,压缩强度为478 MPa,比松质骨高23倍,基本上满足了骨替代材料对力学性能的要求。

    作为增强材料的HACS/HA复合材料的力学性能有着明显的影响。HA含量的增加能够提高CS/HA复合材料的弯曲模量,但会降低其他力学性能,原冈是HA粒子和CS基体间的界面黏结力较弱,材料的破坏首先发生在HA粒子周围,所以HA含量越高,材料越容易被破坏;另外,较小粒径的HA颗粒,比表面积越大,表面能越高,HACS基体之间的界面结合就越紧密,材料就越不容易被破坏。

332 生物相容性

    人体组织和器官是比较复杂的系统,骨修复材料作为一种体内植入物,不仅要对人体的各个系统无不良影响,还要在生理条件下保证力学性能长期稳定。当植人材料进入体内.细胞膜表面的受体会积极寻找与之接触的材料表面所能提供的信号.以识别材料为自体或异体,只有生物相容性适宜的植入材料才能被生物体认同。

HACS都是生物相容性良好的材料,CS能为材料提供含大量游离氨基的高密度阳离子表面,促进细胞黏附.HA则与自然骨的矿物相组分有较高的相似性,因此CS/HA复合材料具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性。胡仁等认为晶体结构良好的多孔形貌对提高钙磷陶瓷的生物相容性比较有利。观察复合材料植入兔胫骨12 d,动物下肢活动略有障碍,3 d后完全恢复,并且动物活动、进食、精神无明显异常。将CS/HA复合材料埋植在鼠骨髓内不会引发炎症反应,6周后材料周围有新骨形成,说明CSHA复合材料有良好的生物相容性、骨引导活性和潜在的骨诱导作用。

4 载药骨修复材料的研究现状

    随着对原位组织再生理解的深入,骨组织工程逐渐向基于药物和骨修复材料结合的方向上转变,即将骨修复材料作为一种药物控释载体,这里所说的药物主要包括成骨因子和抗生素两类。

    骨组织修复是由多能十细胞分化增殖、细胞外基质与信号分子的识别、相关因子的表达及靶向作用和新骨的发育成熟等~系列链式过程构成的,其中各种成骨因子在这一过程中起着重要的调控作用。由于大多数成骨因子价格昂贵、半衰期短、容易变性,局部给药后很容易在人体组织中散逸,过量输入则可能有潜在的毒性和致癌性。因此,现代骨组织工程学研究的最新方向是尝试存骨修复材料的基础上添加各种成骨因子,期望实现对成骨因子的定量控释,以促进骨组织的修复与再生。

    临床上许多骨缺损都伴随着不同程度的深部感染,顽固性骨髓炎与难治性缺损互为因果,相互促进,给治疗带来了极大的困难。对于这类深部感染,常规的口服或静脉用药不能产生足够的局部药物浓度,因此效果不佳。在骨修复材料中加入抗生素,在填充缺损的同时,药物可以得到长期、有效的释放,并能在局部组织内形成较高的浓度,全身毒性则不明显。

    骨修复材料作为控释载体,除了需要达到一般骨修复材料的各项要求之外,还需具备持续、定量释放药物的能力。药物释放速度由4个关键因素决定:(1)药物与载体的结合方式,包括电荷相互作用、亲水性等;(2) 载体的体积、表面积、孔隙率和微孔直径等;(3) 药物释放的方式;(4) 载体周围组织做环境,如pH值、血供和组织的代谢状况等。常见的药物释放模式有:(1) 弥散型。依据药物的溶解性、在载体和水中的分布比例和药物负载量来决定释放速度。(2) 酶反应控制型。将药物包裹在可被酶解的载体包壳内,材料降解的速度决定了药物的释放速度。例如在小鼠皮下观察胶原包裹TGF-β1的控释效果,发现其释放速度由胶原载体的交联度(即酶解速度)决定。(3) 溶剂控制型。将蛋白嵌植在可溶性基质中,当水溶液逐渐浸入材料的内部,因子就随之释放出来。

    Yu等的体外实验证明HA对头孢氨苄和诺氟沙星有良好的释放性能,含有48(质量分数)诺氟沙星的HA可持续释放药物250 h以上,释药的总时间长达3周,释药速度主要由材料的孔隙率决定。Gao等用β磷酸三钙(β-TCP)β-TCP/多聚物复合材料构成的载体装载并控释抗生素,取得了满意的效果。Jacob用含氨苄青霉素的PLA/PGA微胶囊治疗兔胫骨慢性骨髓炎,结果实验组25只动物全部获得治愈,明显优于全身用药2周并辅助局部一次性注入氨苄青霉素的对照组。陈爱民等将庆大霉素和CS复合制成缓释药棒植入兔胫骨干骺端,检测局部骨组织和血肿中庆大霉素的浓度,结果显示,局部骨组织中庆大霉素的浓度在1天达到峰值,之后下降,至第10周时浓度仍为金葡菌最小抑菌浓度数的10倍以上,同时血肿中庆大霉素浓度极低。他们认为壳聚糖庆大霉素缓释药具有良好体内缓释作用,且材料无需二次取出,是临床治疗骨感染的一种简便有效的方法。5 展望

    随着材料科学、生命科学和医学的发展,CS/HA复合材料的研究已经取得了较大的进展,此类材料的生物相容性和力学性能的研究已有很多并已取得了一定的成果。基于复合材料结构、性能设计,制备CSHA体系的二三相复合材料已成为本类材料的一个重要研究领域。此外,具有特殊电学和磁学功能的C8/HA新型生物功能材料也是此类材料今后的重要研究方向之一。CSHA复合材料在诸多方面所具有的功能优势,预示着它在骨替代材料研究领域中的巨大潜力.必将引起更多的关注与研究,应用前景广阔。

             

 

 

 

 

 

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