纳米羟基磷灰石/壳聚糖人工骨复合材料制备及性能研究

【摘要】 目的：研究合理人工骨复合生物材料的制备及性能。方法：应用共沉淀法制备纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合材料，并采用TEM、SEM、XRD等手段对材料晶相组成、微观结构、晶粒大小进行分析表征。结果：复合材料中的羟基磷灰石为类似于自然骨矿物相的弱结晶含碳酸纳米晶体，并均匀分散于有机相壳聚糖中。结论：该复合材料可作为骨组织替代材料。

【关键词】 生物医学材料；纳米羟基磷灰石；壳聚糖；复合材料；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

由于羟基磷灰石(Hydroxyapatite，简称HA)具有良好的生物相容性和生物活性以及骨传导性，与自然骨矿物相组分的相似性，因而在众多的人工合成骨替代物中脱颖而出，倍受瞩目［1-4］。虽然HA陶瓷具有较高的抗压强度，但其易发生脆性断裂和疲劳破坏，而且陶瓷烧结体中的HA颗粒结晶较好，均在微米以上尺寸，与天然骨磷灰石相去甚远。从仿生学角度出发，应当保持骨替代物中HA呈纳米状态，所以在制备骨修复材料时只能选择HA非烧结体或HA浆料，尽可能避免HA颗粒发生团聚。但是HA制品只有通过烧结才能获得较好的力学性能，单纯的HA粉体或浆料成形困难，而且承受外力和液体冲刷的能力极差，不能用作承重骨组织的修复。自然界中一些生物体(如动物骨组织、贝壳、珍珠等)是通过无机物和有机物之间奇特的相互作用而成的具有优异力学性能的生物复合物，其中的无机相呈纳米状态分散在有机相中，起弥散增强的作用［5-6］。壳聚糖(Chitosan，简称CS)是自然界中少见的一种带正电荷的碱性多糖，是甲壳素(Chitin)的脱乙酰化产物。HA－CS复合材料除了生物相容性、降解性俱佳外［7］，而且还具有pH-体积溶胀响应的智能特征，为生物材料的设计带来更大的空间，HA-CS复合生物材料的制作大多将HA粉体与壳聚糖的酸溶液通过机械或化学方式混合成膏状体，然后注成型。本文尝试将HA粉制备与成分的复合结为一体的方法，基本设计思想是将HA的前驱液与壳聚糖的酸溶液混合，以尿素为沉淀剂，加热，尿素分解，体系pH值升高使HAP与壳聚糖先后沉淀出来，由于混合方式为溶液混合，因而预期复合粉体有较好的均匀性。为了进一步调整粉体的微观尺寸，将共沉淀出来的粉体再进行水热陈化处理。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

Ca(HO)2、H2PO4、醋酸溶液均为分析纯，80目的壳聚糖粉末（脱乙酰度为90%，购自济南海得贝生物工程有限公司），以及实验中所用的其它试剂均为分析纯。利用JEM2100CXⅡ型透射电镜(JEOL公司，日本)进行晶粒观察，应用Quanta-400扫描电镜进行形貌和孔隙率分析，利用PHILIPS AUTOMATED X-RAY POWDER DIFFRACTOMETER SYSTEM APD-10测定HA/CS样品的X射线衍射谱。

1.2 纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合材料的制备

(1)多孔羟基磷灰石的合成。按照羟基磷灰石（简称HA）的化学计量比Ca/P = 1.67 称取合适量的Ca(OH)2和H3PO4，以过氧化氢为发泡剂，并将Ca(OH)2溶于乙二醇中配成5%的悬浮液，得到A液，备用。(2)羟基磷灰石/壳聚糖的合成。将磷酸稀释为10%的水溶液，然后按照n-HA/CS 重量比分别为80/20、70/30、60/40、50/50、40/60、30/70的6种比例称取壳聚糖粉末，并将其溶于2%醋酸水溶液，连续搅拌5h，过滤得到完全透明的3%壳聚糖溶液。将配好的磷酸溶液倾入壳聚糖溶液中，充分搅拌，得到B液。整个反应在室温下进行，在剧烈搅拌下将B液缓慢滴入A液中，该过程pH值保持在10左右，滴加速度4mL/min。滴加完毕，继续搅拌24h，所得浆料室温下陈化1d。将沉淀过滤、洗涤，于80℃真空烘干，并研磨成粉。再分别在300℃、600℃、800℃马弗炉中煅烧2h后制成样品。

2 结果

2.1 TEM观察

n-HA 及n-HA/ CS 复合材料的透射电镜照片如图1所示。其中图1(a)是在室温条件下合成的n-HA的TEM照片，图2（b）是共沉淀法合成的n-HA/CS复合材料的TEM照片。可以看出n－HA粉末呈纳米级的短棒状晶体，其平均尺寸大约为10nm×30nm。这些n-HA颗粒具有较好的分散性，表现出相对均匀的形貌。当加入壳聚糖后，颗粒变得纤细，并呈梭状，但仍在纳米范围内，平均尺寸大约20mm×80nm。可能是壳聚糖的加入加速了n－HA沿c轴(002)方向的生长。

2.2 XRD图谱

n-HA/CS不同比例复合材料的XRD图谱见图2。从图2a中可以观察到n-HA的各个特征衍射峰，但这些峰都发生宽化，表明合成的n-HA呈非化学计量的弱结晶状态。图2中在2θ=10°和20°处的两个峰是壳聚糖的两个特征衍射峰。复合材料图谱中(图2b、c、d、e、f)也都出现n-HA和壳聚糖的特征衍射峰，但峰的强度都有不同程度的弱化，这与二者的含量高低有关。

2.3 SEM观察

扫描电镜观察复合材料具有多孔结构(图3a～b)，孔径为100～500μm，大多数孔径为400～500μm。材料孔内无HA晶体聚集，孔壁上有大量细小的HA晶体连续、均匀分布，犹如“铺路石”状紧密镶嵌在孔壁上(图3b)。材料具有很高的孔隙率，而随着CS含量的增加，支架的孔壁增厚，孔隙率降低，密度升高。

3 讨论

两相之间的相容性一直是无机-有机复合材料体系需要解决的首要问题。本文合成的各种比例的n-HA/CS复合材料中都没有相分离现象发生。SEM也证明，n-HA颗粒在复合材料中分散良好。在n-HA/CS复合材料体系中，当壳聚糖含量较高时， 细小的n-HA颗粒以填充相均匀分散在连续有机基体中，但随着壳聚糖含量下降，有机相不足以将n-HA颗粒完全包裹，仅作为粘结剂将无机粒子均匀地粘附在一起。

壳聚糖通过胺基与金属离子之间的相互作用可以形成壳聚糖-金属螯合物。在共沉淀过程中，壳聚糖的瞬时沉积将n-HA微粒包裹在聚合物纤维之间。由于Ca2+与乙醇中-OH之间的螯合作用，所以Ca(OH)2在乙醇中的溶解度较之在水中的高，而且乙醇的分散效果也较水的分散性能好，因此，本文选用乙醇做Ca(OH)2的溶剂。TEM及XRD分析都表明，共沉淀法合成的HA是类似于自然骨磷灰石的非化学计量的弱结晶含碳酸纳米晶体，由于晶格缺陷，该n-HA比高结晶度HA的溶解度高。因此，当n-HA/CS复合材料植入体内后，表面的n-HA微粒在生理介质作用下缓慢溶解，使材料周围的Ca2+、P离子浓度局部升高；反过来，这些n-HA颗粒又为Ca2+、P离子的沉积提供活性位点，从而在材料表面形成一层类骨磷灰石。壳聚糖具有良好的生物降解特性，当其作为组织工程支架植入体内后，壳聚糖的降解为新骨的生长提供足够的空间，直至完全被新骨替代。有研究证实壳聚糖还有促进磷灰石和方解石沉积的作用，而且壳聚糖的表面是亲水性的，有利于细胞的黏附、生长和分化［10-11］，所以n-HA/CS复合材料植入体内后将可以有效地促进骨的修复和重建。

本文通过共沉淀法合成了不同比例的n-HA/CS复合材料，其中HA为弱结晶含碳酸的纳米晶体，均匀分散在复合材料基体中。复合材料中两相间较强的相互作用赋予材料良好的力学性能，该复合材料作为骨组织替代材料将具有很大的研究价值及应用潜力，对植入体内后将会引导新骨的生长，促进骨缺损的修复和愈合的进一步研究提供了理论研究。