（无机化学专业论文）羟基磷灰石纳米生物材料的制备与表征.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的高速发展，新材料在社会各个领域的应用范围越来越广， 特别是生物材料的应用已经得到了前所未有的高度重视。由于羟基磷灰石( t t h ) 具有多种医用功能和良好的生物活性和生物相容性，而且目前所制备的羟基磷 灰石复合材料还远不能满足临床的需要，故本文提出纳米羟基磷灰石复合材料 的制备新思路：选择具有优异生物相容性和生物活性的糖类与羟基磷灰石复合 体系为研究对象，采用仿生合成原理制备羟基磷灰石纳米生物材料，对其组成 和结构进行了表征，并研究了该纳米生物材料形成的影响因素。论文主要内容 归纳如下： 1 通过对葡聚糖进行改性得到可溶性的羧甲基葡聚糖( c m g ) ，利用c m g 与c a 2 + 的相互作用，诱导h a 成核生长，成功制各了c m g h a 纳米复合微粒。 采用兀二i r 、t e m 、x r d 、z e t a 电位等测试方法对复合微粒的结构和性质进行 表征。结果表明所制备的c m g h a 纳米复合微粒为核壳式结构( h a c m 6 ) ， c m g 包裹在h a 纳米颗粒表面，颗粒内径约为1 0 0 r i m ，外径约为1 2 0 n m 。大小 均一，分散性较好，性质稳定。论文还对核壳式结构h a c m g 纳米复合微粒 的形成机理进行了探讨。 2 通过向壳聚糖引入羧甲基得到羧甲基壳聚糖( c m c ) ，以此为模板，仿生 制备了c m c h a 纳米复合微粒，并研究了加入分散剂、交联剂对复合微粒的影 响。测试结果表明，所制备的c m c h a 纳米复合微粒与c m g h a 纳米复合微 粒不同，纳米颗粒形貌多样化，呈现棒状、长方体、球形以及分形等形状。加 入分散剂和少量交联剂均使颗粒形貌发生变化，前者还使颗粒不易聚集。 3 利用沉淀氧化法制得f e 3 0 。球形纳米颗粒，平均粒径为2 5 r i m 。在仿生制 各c m c h a 纳米复合微粒的基础上，进一步对该方法进行拓展，将f e 3 0 4 纳米 颗粒成功引入，制备得到c m c h a f e 3 0 4 三组分的纳米磁性微粒。通过红外光 谱分析表明，纳米磁性微粒中含有c m c 、h a 、f e 3 0 4 三种物质。在x r d 谱图 中也检测到h a 及f e 3 0 一的存在，表明在纳米磁性微粒中三者可能通过氢键或 配位作用产生复合。 羟基磷灰石纳米生物材料的制备与表征 4 利用酸溶法从猪骨的三个不同部位( 管状硬骨、关节骨、肩胛软骨) 提 取胶原蛋白( c 0 1 ) 和制备纳米羟基磷灰石( h a ) ，进行分组对比实验，从而分析 不同部位在制取两者上的差异，并初步探索从同一猪骨中同时提取胶原蛋白 ( c 0 1 ) 和羟基磷灰石( h a ) 的可行性。结果表明，在本实验条件下，关节骨和软 质骨适合提取胶原蛋白，而管状硬骨则适合制备羟基磷灰石。在利用酸溶法成 功提取胶原蛋白的同时，制备纳米羟基磷灰石的效果并不理想，但是利用煅烧 硬骨法，可以制得粒径在4 0 r i m 左右的纳米羟基磷灰石。 关键词：羟基磷灰石，纳米生物材料，多糖，仿生合成 儿 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , n e wm a t e r i a l sa r eu s e dw i d e l y i i la l la r e a so ft h e s o c i e t y t h ea p p l i c a t i o no fb i o l o g i c a l m a t e r i a lh a s g o t u n p r e c e d e n t e da t t e n t i o n s h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) h a sm a n ym e d i c a lf u n c t i o n sa n d g o o db i o a c t i v i t ya n db i o c o m p a t i b i l i t y i no r d e rt om e e tt h ec l i n i c a ld e m a n d ，an o v e l m e t h o df o r t h ep r e p a r a t i o no fh an a n o - b i o m a t e r i a l sw a sd e v e l o p e di nt h i sa r t i c l e t h ec o m p o s i t es y s t e mo fp o l y s a c c h a r i d ea n dh aw h i c ha l l p o s s e s s e dg o o d b i o a c t i v i t ya n db i o c o m p a t i b i l i t yw a ss t u d i e d h an a n o - b i o m a t e r i a l sw e r ep r e p a r e d b yb i o m i m e t i cm e t h o da n dw e r ea l s oc h a r a c t e r i z e d t h e nt h ef a c t o r st h a ta f f e c t e dt h e p r e p a r a t i o no fn a n o - b i o m a t e r i a l sw e r ed i s c u s s e d ，t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h ew o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 w a t e r - s o l u b l ec a r b o x y m e t h y lg l u c o s a n ( c m g ) w a s p r e p a r e da n du s e dt oi n d u c e t h eg r o w t ho fh ab yt h er e a c t i o nw i t hc a 2 + t h e nc m g h an a u o c o m p o s i t e p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e d t h ep a r t i c l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i r , t e m ，x r d a n dz e t ap o t e n t i a le t c t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh a i l a n o p a r t i c l e sw e r ew r a p p e d b yc m g , t h ec m g h al l a n o - c o m p o s i t e sw e r es p h e r i c a la n ds t a b l e t h ed i a m e t e r so f h ac o r ec m g s h e l l ( h a c m g ) w e r ea b o u t1 0 0 a ma n d1 2 0 n m ，r e s p e c t i v e l y t h e m e c h a n i s mo fh a c m o n a n o c o m p o s i t ep a r t i c l e sw a sa l s od i s s c u s s e d 2 c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ( c m c ) w a su s e da st e m p l a t ef o rt h es y n t h e s i so fc m c h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) n a n o c o m p o s i t ep a r t i c l e s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e c m c h an a n o - c o m p o s i t ep a r t i c l e sa r es t a b l e t h es h a p eo f p a r t i c l e si sd i v e r s e , s u c h a sc l a v a , c u b e ，s p h e r ea n df r a c t a l t h ei n f l u e n c eo fd i s p e r s a n ta n dc r o s s l i n k i n go n c m c h an a n o - c o m p o s i t ep a r t i c l e sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h e c m c h an a n o c o m p o s i t ep a r t i c l e sw a sd i f f i c u l tt og a t h e r ， 3 f e 3 0 4n a n o - p a r t i c l e sw i t ht h ea v e r a g ed i a m e t e ro f2 5 r i mw e r ep r e p a r e db y s e d i m e n t a t i o n - o x y g e n a l i o n m e t h o d n a n o c o m p o s i t ep a r t i c l e sc o n t a i n i n g c m c h a f e 3 0 4w e r ep r e p a r e d t h ea n a l y s i s o ft h ef t - i ri n d i c a t e dt h e i “ 羟基磷灰石纳米生物材料的制各与表征 n a n o c o m p o s i t ep a r t i c l e se x a c t l yc o n t a i n e dt h et h r e ec o m p o n e n t s a se x p e c t a t i o n t h e x r da n a l y s i sa l s od e m o n s t r a t e dt h ep r e s e n c eo fh aa n df e 3 0 4 ，i n d i c a t i n gt h e c o m b i n a t i o no ft h et h r e ec o m p o n e n t sw a sp o s s i b l yd u et ot h eh y d r o g e nb o n do r c o o r d i n a t i o n 4 d i f f e r e n tp a r t so fp i gb o n e s ( h a r db o n e s ，a r t i c u l a rb o n e sa n ds o f tb o n e s ) w e r e s e l e c t e dt op r e p a r ec o l l a g e n ( c 0 1 ) a n dh a n a n o p a r t i c l e sb ya c i d - d i s s o l u t i o nm e t h o d c o m p a r a t i v ee x p e r i m e m sw e r ed o n e t o a n a l y z et h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e p r e p a r a t i o no fc o la n dh au s i n gp i gb o n e sf r o md i f f e r e n tp a r t s ，a n dt oe x p l o r et h e p r o b a b i l i t yo fp r e p a r i n gc o la n dh af r o mt h es a m eb o n e n l ec h a r a c t e r i z a t i o n so f u v - v i s f t - i ra n d s h o w e da r t i c u l a rb o n e sa n ds o f tb o n e sw e r es u i t e dt od i s t i l l t h ec o la n dh a r db o n e sw e r es u i t a b l ef o rt h ep r e p a r a t i o no fh a t h ea c i d d i s s o l u t i o n m e t h o dw a ss u c c e s s f u l l yu s e dt od i s t i l lc o l ，w h i c hw a sn o ts u i t a b l ef o rt h e p r e p a r a t i o no fh a b u th a w i t ht h ea v e r a g ed i a m e t e ro f4 0 n mw a sp r e p a r e db yt h e c a l c i n a t i o no f h a r db o n e s k e y w o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ，b i o m a t e d a l s ，p o l y s a c c h a r i d e ，b i o m i m e t i cs y n t h e s i s i v 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得g 芎潋芬或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：唁p 耋笨签字日期：夕年严月穹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解髫搿极六考有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权安缮镰渤以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位黻储始哼p 主禾导臌：渺午 签字日期：泸一7 年月刁日签字日期：少一年中月j 。日 - 、 ，、 学位论文作者毕业去向：三安触蓄 、 工作单位：其；权夫争 。 电话：爿一如。 通讯地址：令1 撺j 席肥西游弓多邮编：力，。，3 夕 第一苹绪论 1 1 生物材料概述 第一章绪论 材料科学已走出其传统领域，和生物学、医学、工程学相结合，形成了一 门新兴的学科，即生物材料学。其研究领域涉及生物材料的组成、结构、性能 与制备，主要目的是分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理的基础上， 发展新型医用材料以用于人体组织器官的修复与替代，发展仿生高性能工程材 料。与其它材料相比，生物材料几乎都属于复合材料，因此体现出一定的杂化 优势，即生物材料能够在一定程度上调节自身的物理和力学性质，以适应周围 环境，且具有自适应和自愈合的能力d 埘。 生物材料( b i o r a a t e d a l s ) 通常包括两种f 3 】：一是天然生物材料( n a t u r a l b i o l o g i c a lm a t e r i a l s ) ，即由生物过程天然形成的材料，如结构蛋白、生物矿物和 复合纤维：二是生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) ，是指用于生理系统疾病 的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的天然或人 造材料【4 ，”。 一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本要求：无毒性，不致癌， 不引起人体细胞的突变和反应；与人体组织相容性好，无溶血、凝学现象；化 学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械性 能；针对不同的使用目的具有特定的功能。 1 1 1 生物医学材料分类 根据物质属性，生物医学材料分为以下五类： ( 1 ) 医用金属。医用金属具有良好的力学性能( 耐磨强度高等) 和抗疲劳特 性，广泛应用于承力植入材料。从最初韵贵金属，发展到现在的各种合金，医 用金属的应用己有很长的历史。像银汞合金至今仍广泛应用于临床。在医用金 属当中应用最多的是钛合金。钛和钛合金的弹性模量低，比强度高，与人骨最 为接近，已用于制作人工关节、骨和义齿等，钛合金存在很多缺陷，如有毒元 素扩散、腐蚀失效等。目前许多科研单位正致力于改善这些缺陷的工作1 6 ，7 1 。 羟基磷灰纳米生物材料的制备与表征 ( 2 ) 医用高分子。医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广 泛、用量最大的的材料，也是一个正在迅速发展的领域嘲。 ( 3 ) 生物陶瓷。生物陶瓷化学性质稳定，具有很好的组织相容性，根据生 物陶瓷在人体内的反应情况可将它分为两类：惰性生物陶瓷、生物活性陶瓷。 ( 4 ) 生物降解材料。是指在被植入人体内以后，能够不断的发生分解，分 解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料。主要包括p - t c p 生物降解 陶瓷和生物陶瓷药物载体两类。 ( 5 ) 生物医学复合材料。是由两种或两种以上不同材料复合而成，主要用 于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。生物医学复 合材料主要分为三类：有机有机复合、金属无机复合、有机无机复合。其中 有机无机复合是应用研究最为广泛和深入的一类，主要作骨修复或骨固定材料 来使用【9 - l “。 1 1 2 生物材料研究的主要方向 由于医用金属、高分子、生物陶瓷的应用各有利弊，许多研究者，将其两 者或更多混合，以提高材料的性能。复合材料可集中多种组分的性能优点，摒 弃各自不足，具有单一组分或结构的材料所无法比拟的性能优势。通过将不同 降解特性或力学性能的材料进行复合，改变组分之间的配比就有可能得到降解 速率可调，力学性能有所改善的新材料。 近年来，生物材料学领域内的热点之一是材料的仿生学研究( b i o - i n s p i r e d ) ， 即仿制天然生物材料或利用生物学原理去设计和制造具有生物功能，甚至是具 有真正生物活性的材料以用于工程学或生物医学领域。基于仿生原理，制各类 似于自然组织的组成、维构和性质的生物无机纳米复合材料，应该是纳米复合 材料的一个重要发展方向【1 2 - 1 4 1 。 1 2 骨与骨组织 骨是生物体中有生命的坚硬组织器官，具有再生和自我修复能力。骨分为 密质骨和松质骨( 图1 1 ) 。密质骨分布在长骨的中间部分，称为骨干。松质骨 分布在长骨的两端，成为骨骺。 第一章结论 芸旋馋 摄骨锵 竹 图1 - 1 密质骨( a ) 和松质骨( b ) f i g 1 1t h ec a n c e l l o u sb o n e ( a ) a n dc o r t i c a lb o n e ( b ) 骨是自然界中结构最复杂的生物矿化材料之一，从骨的组成和结构上看， 其本身就是一种生物无机纳米复合材料。骨是由尺寸小于l o o n m 的磷酸钙盐晶 体( 主要以结晶羟基磷灰石的形式存在) 弥散分布在胶原蛋白以及其它生物聚 合物中构成的连续多相复合体。在骨基质中，其主要成分是磷酸钙盐类即骨盐 ( 6 9 wt 多幻，胶原( 2 0 wt ) ，7 j 【( 9 wt ) ，其余为蛋白、多糖等有机物1 1 5 】。 1 3 纳米羟基磷灰石及其生物材料研究进展 羟基磷狄石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 是人体骨骼中的主要无机成分1 1 6 1 ， 是一种微溶于水的弱碱性磷酸的钙盐，化学式为c a i o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 。图1 2 所示 为羟基磷灰石的晶体结构，其晶体由六面柱体的晶胞组成，a l = a 2 = 0 9 4 3 2 r i m ， c = 0 6 8 8 l n m ，c a p 原子比为1 6 7 。羟基磷灰石密度较大，为3 1 6 9 e m 3 ，折射率 是1 6 4 1 6 5 ，弯曲强度和模量分别为1 4 7 m p a 和4 0 2 2 7 g p a ，莫氏硬度为5 。羟 基磷灰石微溶于纯水，易溶于酸，难溶于碱，离子交换能力耐1 7 1 。 h a 具有良好的生物相容性，生物活性和骨传导性及其与自然骨矿物组分 的相似性i t s 。由于h a 含有人体组织所必需的钙和磷元素，且不含其它有毒元 素。植入体内后，在体液的作用下，钙和磷会游离出材料表面，被机体组织所 吸收，并能与人体骨骼组织形成化学键结合，生长出新的组织。所以h a 被大 量地应用于骨替换植入材料，在硬组织修复材料领域中有很大的应用价值，被 认为是最有前途的人工齿和人工骨替换材料，引起了各国研究者的关注。 羟基磷灰石缩米生物材料的割各与表征 图1 - 2 羟基磷灰石的晶体结构 f i g i - 2s t r u c t u r eo f h ac r y s t a l 毒 自5 0 年代以来，人工合成的h a 得到了深入的研究，这些人工合成的h a 已广泛作为优良的人工骨材料及组织材料。虽然h a 硬度比较大，但纯h a 生 物材料的机械性能比较差，机械强度不是很高，易脆，对负荷承载性差，还不 能作为负重部位的骨替代物，不能完全适宜于骨组织工程的要求，例如，其断 裂韧性( k i c ) 不超过1 0 m p a m ，而且，在潮湿的环境中w e i b u l l 因子较低 ( n - 5 1 2 ) ，作为人工种植体其使用可靠性较差。到且前为止，h a p 陶瓷不能用 作承载种植体，它在医学上的应用仅限于小的非承载种植体、粉末、涂层和低 承载的多孔种植体。尤其是与股骨、牙等部位相比较，材料强度上还存在一定 的差异。力学性能是衡量作为年中植体的生物材料的重要性能，这个性能指标限 制了羟基磷灰石在临床上的应用。为了拓宽羟基磷灰石的应用领域，提高h a 材料的使用可靠性，使其能在负重部位发挥作用，以及加快新骨的形成速度， 使得这一材料能够在临床上推广应用，须对羟基磷灰石材料的力学性能进行补 强增韧研究“9 , 2 0 。 近十几年来，国内外科学工作者进行了许多探索、研究工作。通过引入其 它相物质，从而提高羟基磷灰石材料的强度和韧性，获得理想的骨替代材料【2 l l 。 例如制备得到了聚乙烯醇( p v a ) h a 复合材料t 2 2 1 、明胶( g e l ) h a 复合材 料田】、壳聚糖( c s ) h a 复合材料【2 4 l 等。但就目前羟基磷灰石研究水平和开 发出来的材料性能而言，羟基磷灰石复合材料的力学性能的提高幅度还不够显 4 第一靠绪论 著，还不能使其广泛应用于临床。并且在羟基磷灰石中引入第二相往往会导致 生物活性和生物相容性的下降，有可能加速羟基磷灰石的分解 2 5 】。所以，为了 寻求理想的骨替代材料，必须做进一步的研究工作。 考虑到自然骨是由纳米羟基磷灰石和胶原、蛋白、多糖等有机物组成的天 然复合材料，基于仿生原理，羟基磷灰石高分子聚合物复合生物材料将是硬组 织修复材料研究的重点和发展方向口6 l 。 纳米h a 粉体不仅在制备h a 陶瓷方面提供了优良的性能，而且在治疗癌 症方面表现出一些特异性能。l a l b e t oh o r e n s t e i n 等人把乳腺癌细胞植入鼠体 内，以纳米材料h a p 粒子为治疗药物，发现其对乳腺癌细胞有明显的抑制作用 2 7 ；武汉理工大学生物材料工程中心李世普教授在体外实验中研究发现 2 9 】，粒 子尺度在2 0 一8 0 纳米的羟基磷灰石纳米材料具有杀死癌细胞的功能，对肝癌、 食道癌等多种肿瘤细胞的生长具有抑制作用，而对正常细胞基本没有作用；夏 东、刁路明等人通过对无机纳米粒子h a 、c a c 0 3 对人肺癌细胞a 5 4 9 和小鼠成 纤维细胞l 9 2 9 生物学性研究1 2 9 ，证实h a 对a s 一9 细胞生长和集落有一定抑制作 用，对l 9 2 9 细胞无明显影响，其机理可能是肿瘤细胞、存在着对含钙纳米粒子 特异性反应的分子基础，肿瘤细胞表面c a m ( 钙结合蛋白) 是正常细胞的几倍， 这提示肿瘤细胞比正常细胞有较强的钙摄入能力。当肿瘤细胞外存在h a 等纳 米粒子钙池时，肿瘤细胞的超强钙摄入能力可能导致过多钙离子的摄入，出现 毒性，从而抑制其生长。此外，h a 纳米粒子具有不同于烧结h a 的物理化学 性质，其粒径在1 0 1 0 0 r i m 范围内，溶解度比烧结h a 大，具有很高的表面能， 较强的离子交换能力，强极化力，也有可能与肿瘤细胞表面发生作用，或进入 癌细胞，与其中的某些组分发生作用，从而对癌细胞产生抑制作用。 1 4 葡聚糖的结构与性能 糖、蛋白质和核酸是涉及生命活动本质的三类生物大分子，涉及到生命过 程的主体方面，是维持生命机器正常运转的最重要的物质- - 。- - 。7 。1 3 0 1 。多糖作为生 物体的重要结构物质早已被人们所熟知，在较长的一段时间内人们对它们的认 识仅停留在这一水平。近三十年来，多糖多种生物功能的发现引起了人们的普 、 遍关注，特别是随着生物高分子研究新技术、新方法在多糖研究上的应用，使 羟基磷灰石纳米生物材科的制备与表征 国内外对多糖及其复合物的研究迅速发展。葡聚糖作为活性多糖不仅具有免疫 促进作用，而且具有抗肿瘤活性，是一类研究最多的活性多糖【3 j 】。图1 3 所示 为葡聚糖的化学结构。 h o 图1 - 3 葡聚糖的化学结构 f i g 1 3c h e m i c a ls t r u c t u r eo f g l u c o s a n 早在1 9 5 7 年，b e n a c e r r a f 和s e b e s t y n 就发现了静脉注射来自酵母细胞壁的 酵母聚糖对吞噬细胞活性有影响【3 2 】。该物质是吞噬细胞的刺激剂，它能够增加 吞噬细胞活性。随后人们对酵母聚糖进行了分离和纯化，1 9 6 1 年确定了酵母聚 糖中的这种活性成分是葡聚糖。1 9 6 9 年c h i l h a r d 等人又从香菇中分离得到了香 菇多糖，并证明了它的抑瘤作用【3 3 1 。从那时起，人们陆续从单细胞和多细胞真 菌，以及植物中制备了各种葡聚糖，并评价了它们的免疫活性和抗肿瘤能力。 国内许多学者在这方面也做了大量的工作，他们结合传统的中医药学，对诸多 中草药中的多糖进行了分离、纯化，并在化学组成、生物活性以及临床应用的 研究中取得了成果1 3 4 1 。 然而，葡聚糖不能直接溶于水中这在很大程度上限制了它的使用，我们 参照有关文献【3 5 1 对葡聚糖进行改性，得到水溶性的羧甲基葡聚糖。经研究，羧 甲基葡聚糖也没有任何毒副作用，并且同样具有生物相容性和体内降解性【3 6 1 。 羧甲基葡聚糖由于具有无毒、生物相容、可降解、体内循环周期长、药物 负载量较高等特点，因此是一种性能优良的药物缓释载体。x q i u 等人利用羧 甲基葡聚糖做多层膜包裹药物分子布洛芬制成了药物缓释的微胶囊【3 7 j ；c w a n g 等人研究了葡聚糖作为药物载体对胃液酶腐蚀和对药物分子茚甲新的缓释规律 1 3 8 ；o e t i e n n e 等人则在体外模拟研究了羧甲基葡聚糖生物分子作为药物载体 的降解原理咧。 自然界存在成千上万的生物矿物，而这些无机矿物的形成通常认为是在多 6 铲 0 “+ 哮 第一章绪论 糖等生物大分子的指导下形成的。杨林等人就利用羧甲基葡聚糖分子作模板仿 生合成了具有分形图案的文石型碳酸钙晶体 4 0 l ；吕奎龙等人则利用羧甲基葡聚 糖分子中带有的一些功能性的末端基团对c a 2 + 和p 0 4 玉离子的选择性吸附，在反 应体系中引入羧甲基葡聚糖分子，制备了纳米级多孔羟基磷灰石材料【4 ”。 另外。羧甲基葡聚糖分子还是一种性能良好的模板剂，可以用来调控合成 一些功能无机纳米材料。如杨玉东等人利用葡聚糖分子合成了磁性的氧化铁纳 米粒子【4 “，i s o n d i 等人则利用羧甲基葡聚糖合成了球形的单分散的硫化铬纳米 颗粒m j 。 1 5 壳聚糖的结构与性能 甲壳素( c h i t i n ) 又名几丁质( 图1 4 ) ，是一种氨基多糖聚合物，广泛存在于低 等动物，特别是节肢动物的外壳以及低等动物的细胞壁中，是生物学上仅次于 蛋白质骨胶的最重要的动物结构材料。其化学名为( 1 4 ) 2 乙酰胺基2 脱氧一d 葡聚糖。壳聚糖( 图1 5 ) 为甲壳素的脱乙酰化产物，其化学名为( 1 4 ) - 2 氨 基2 脱氧d 葡聚糖【4 4 】。 由于存在分子间强烈的氢键作用( 主要是c 3 上羟基0 3 与相邻环上0 5 形 成氢键) 导致壳聚祷不溶于通常的有机溶剂和水，而且加热不熔化，高温直接 炭化。这给壳聚糖的成型加工带来困难，也限制其广泛应用。壳聚糖仅仅溶于 稀有机酸溶液，特别是稀乙酸溶液。壳聚糖侧链上氨基被质子化后破坏了壳聚 糖分子问的氢键，故壳聚糖能在稀乙酸中溶解 4 5 ，锎。 壳聚糖具有良好的组织相容性和可生物降解的优点，它对动、植物的器官 组织及细胞几乎没有免疫抗原性，无毒副作用，在生物、医药、食品、水处理、 材料等众多领域展示了广阔的前景i 朔。壳聚糖只能溶于一些稀的无机酸或有机 酸中，不能直接溶于水中，这在很大程度上限制了它的应用。经研究羧甲基壳 聚糖同样具有壳聚糖的促进细胞生长、免疫调节等生物功能，并且具有一些壳 聚糖所没有的功能，因此它的应用范围比壳聚糖广，也是研究得较多的壳聚糖 衍生物之一1 4 8 - 5 0 。 7 羟基磷灰石纳米生物材料的制各与表征 j c h 2 c h 2 图1 _ 4 甲壳素的化学结构 f i g 1 - 4c h e m i c a ls t r u c t u r eo f c h i t i n n 图1 - 5 壳聚糖的化学结构 f i g 1 - 5c h e m i c a ls t r u c t u r eo fc h i t o s a n , d a s h e dl i n e si n d i c a t et h eh y d r o g e nb o n d b e t w e e n0 3a n d0 5 目前人们对羧甲基壳聚糖的研究主要集中在利用羧甲基壳聚糖与器官、组 织、细胞具有良好的生物相容性，在动物组织中可消化，可以使生物自我保护 性蛋白如溶菌酶水平的提高等特点，羧甲基壳聚糖被广泛的用于生物医用材料 和医药控制释放材料。 ( 1 ) 防术后粘连材料 在麓行外科手术后，手术性粘连是一个普遍存在的问题。目前国际上采用 “短期屏障”法防止术后粘连，即手术后在容易发生创伤面粘连的部位植人隔离 材料，以防止组织或器官的粘连，材料多采用多糖类天然高分子化合物。羧甲 基壳聚糖能选择性抑制纤维细胞生长，从而减少胶原细胞的来源，达到预防和 减轻粘连的目的。曹宗顺等人1 5 1 1 用羧甲基壳聚糖膜作为可降解防术后肠粘连 膜，发现羧甲基壳聚糖具有止血、生物屏障作用，能促进肌键本身的内源性愈 第一章绪论 合过程，是临床上预防肌键粘连较为理想的物质。 ( 2 ) 药物缓释材料 药物分子包埋在羧甲基壳聚糖制成的凝胶中，将它们被植入体内后可以里 蚀解式缓解，即表面高分子材料吸水膨胀形成凝胶，使水分子不能很快进人内 部溶解药物，只有当水分子能进入内部后，药物才能慢慢溶出直至药物释放完 全为止。例如；羧甲基壳聚糖具有独特的聚阳离子特性，可以与海藻酸钠( 聚 阴离子) 通过静电相互作用，在海藻酸钠微囊表面复合一层聚电解质半透膜， 从而提高微囊的稳定性和载药量，并可调节药物释放速度。卢风琦等p 萄研究发 现，微囊中羧甲基壳聚糖含量越多，其对海藻酸钠的缓释作用越强，此研究结 果可用于对胃刺激性大的药物的剂型设计。 1 6 纳米磁性生物材料研究进展 磁性生物材料已经被广泛应用在生物医学的众多方面，如磁共振成像，磁 共振造影，在磁场诱导下的特定部位的药物输送，癌症细胞的热疗等。研究证 明外加的恒定磁场、脉冲磁场或交变磁场能够刺激骨组织修复、改善局部血液 循环和促进钙盐沉积形成类骨磷灰石。在组织长入材料过程中，应力刺激或电 磁刺激能够产生促迸组织长入材料。四氧化三铁，羟基磷灰石和外加磁场三个 看似不相关的词，但如果把它们放在磁性羟基磷灰石材料里考虑，三者之间就 存在密切的关系【5 3 5 5 1 。 在纳米生物材料研究中，目前研究的热点和已有较好基础及做出实质性成 果的是药物纳米载体和纳米颗粒基因转移技术【5 6 1 。药物纳米载体具有高度靶向、 药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率，提高药物疗效和降低毒副作 用的优点。对专利和文献资料的统计分析表明，用于恶性肿瘤诊断和治疗的药 物载体主要由盒属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗 粒和生物性颗粒构成。在非金属无机材料中，磁性纳米材料最为引人注目，已 成为目前新兴生物材料领域的研究热点。 在已报道的各类磁性纳米粒子中，有关四氧化三铁( f e 3 0 t ) 纳米晶体的制 备方法及应用研究尤其受到重视。通过控制适当的反应条件，人们已经能够制 各出直径从几个至几十个纳米的四氧化三铁纳米粒子。与块体磁性材料不同， 9 羟基磷灰石纳米生物材科的制备与表征 由于纳米粒子尺寸极小( 1 - 1 0 0 n m ) ，常表现出超顺磁性：即在磁场中有较强磁 性，没有磁场时磁性很快消失，从而f e 3 0 4 的粒子能够在磁场中不被永久磁化 【钢。在物理和生物学意义上，顺磁性或超顺磁性的纳米铁氧体纳米颗粒在外加 磁场的作用下，温度上升至4 0 - - 4 5 c ，可达到杀死肿瘤的目的f 5 s 1 。 近年来，随着生物药剂学的迅猛发展，近来出现了一种固态胶体药物释放体 系：微球剂( 一种将药物分散或包埋于多聚物中，形成粒径为微米级的球状载体 给药系统，粒径小于l p a n ，可称为毫微球) 。其组成中的表面活性剂对水不溶性药 物起增溶和润湿剂的作用，可使产品易于分散在水中。这类剂型的研究与开发， 对于发展控释与靶向给药系统具有重要意义【5 9 1 。 通常制备f e 3 0 4 h a 复合纳米颗粒的方法有机械球磨法、溶胶凝胶法、液 相共沉淀法等。 ( 1 ) 机械球磨法。早在1 9 8 0 年，a e b e r k o w i t z 将f e 3 0 4 粉末、煤油及油 酸按一定比例混合，装入球磨机内研磨约5 2 0 个星期后，用高速离心机除去直 径大于2 5 r i m 的粗大粒子，然后在加入h a 纳米粒子，最后可制得平均粒径约 为1 5 2 5 n mf e 3 0 4 一h a 复合纳米颗粒。wt a k a k u r a 等用类似方法通过球磨1 0 h ， 也制得了纳米f e ： 0 4 - h a 复合纳米颗粒。c 。z e l j k a 等用球磨法制各了一系列铁 氧体材料- h a 材料 6 0 6 2 。该法操作简单，但时间长、效率低、费用高，不适合 大批量生产。 ( 2 ) 溶胶凝胶法。它利用金属醇盐的水解和聚合反应制备金属氢氧化物 和羟基磷灰石的均匀溶胶，再浓缩成透明凝胶，经干燥后可得到氧化物一h a 的 超微粉末。通过调节工艺条件( p h 值、溶液浓度、反应温度、时间等) ，可制备 出粒径小并且分布窄的超微复合粉粒。j x u 等在溶胶- 凝胶法基础上研究了不 同退火温度可以得到尺寸不同的f e 3 0 4 h a 颗粒，并讨论了矫顽力随粒径变化 的规律【6 3 ，6 4 l 。 ( 3 ) 液相共沉淀法。液相共沉淀法是制备f e 3 0 4 一h a 颗粒最为广泛的一种 方法j 其实现可以通过以下不同的途径：亚铁氧化法【6 5 】、油包水微乳法、金 属离子共沉淀【6 7 】等方法。 还有一些其它的制备方法，如电沉积法【醯1 ，声化学合成法 6 9 1 、水热法【7 0 】 圾其它【7 ”。另外最近的研究表明：在磁性材料的合成过程中外加一定强度的磁 1 0 第一章绪论 场诱导是一种有效的无模板法制备一维磁性材料的方法。w j u n 等人通过外 0 3 5t e s l a 磁场的诱导，在高温下制得了磁性纳米材料【7 2 1 。 1 7 自然骨中胶原蛋白的提取及羟基磷灰石的制备研究进 展 胶原蛋白或称胶原( c o l l a g e n ，简写为c 0 1 ) 是一种白色、不透明、无支链的 纤维蛋白质，在很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量较高，广泛存在于肌腱、 骨头、皮肤、牙齿等结缔组织、约占脊椎动物体蛋白质总量的1 3 。胶原蛋白是 由3 条肽链结合而成的三股螺旋结构，图1 - 6 所示为胶原蛋白的结构，它在体 内以胶原纤维的形式存在。其基本组成单位是原胶原蛋白分子，长度为2 8 0 n m ， 直径为1 5 n m ，分子量为3 0 万道尔顿。 图1 - 6 胶原蛋白的结构 f i g 1 - 6s t r u c t u r eo f c o l l a g e h 羟基磷灰石纳米生物材料的利每与表征 到目前为止，人们已发现1 9 种不同类型的胶原蛋白( i 型到x i x 型) ，其 中容易分离出来且产量较高的是前五种。根据国内外的文献报道，到目前为止 应用于商业的胶原蛋白制备仅为i 型胶原，其它类型仅在实验研究中制备，由 于价格昂贵都不宜大量生产。目前i 型胶原主要从跟腱、皮肤和骨骼中提取【7 ”。 骨骼中的胶原蛋白纤维为骨骼提供基质，在它的周围排列着羟基磷灰石结 晶。胶原蛋白通过糖羟基与c a 2 + 配位，引起胶原蛋白的构象的变化及胶原纤维 之间的交联，从而构成矿化组织的支持结构。 胶原蛋白也属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度，起着 支撑器官、赋予组织机械强度，且对细胞的分化、运动趋向、结缔组织修复起 着重要作用【7 4 】，以其天然低毒性、低抗原性、低免疫性、能抑制上皮组织细胞 的迁移，能引导细胞再生和组织相容性好等优点而应用于生物医学材料和临床 医疗【硼。同时，由于胶原蛋白有诸多优良性质，使这类生物高分子化合物也广 泛用于制革、医药、化妆品、食品等领域。 胶原蛋白当前基本上是通过从生物体中提取来制备，而人工生物合成( 运 用d n a 技术和转基因技术) 尚属起步研究。生物提取可保持胶原蛋白的天然 性和生物活性，然而多数类型胶原蛋白产量有限，提取工艺复杂且要求严格， 纯度方面也是一个不好解决的难题。 羟基磷灰石当前则主要通过人工合成来制备，且工艺已比较成熟，但通过 这种方式得到的羟基磷灰石和人体的羟基磷灰石在结构、性能上还有一定差距。 往往是结晶度过高或过低，这样在组织相客性和降解性方面郡和人体环境不匹 配。通过利用与人体硬组织相近的天然动物骨骼来制备羟基磷灰石则是一种解 决办法，但由于原材料来源以及经济等方面原因使这方面研究相对较少。 我国是农业大国，有着丰富的猪骨资源，有文献报道猪骨结构与人体的骨 结构相近【7 6 1 。如能通过价廉易得的猪骨来制取胶原蛋白和纳米羟基磷灰石，将 解决活性生物医学材料的一大难题。为了充分利用猪骨资源，本研究从猪骨不 同部位分别制取纳米羟基磷灰石和胶原蛋白并进行对比实验，从而探讨不同部 位在提取两者上的应用价值。 第一牵绪论 1 8 论文研究思路 纳米羟基磷灰石具有骨生长诱导性和引导性，而且具有抗癌作甩；糖类是 优异的生物可降解材料，具有良好的生物相容性，将两者进行复合，可以充分 发挥各自的优势，以期在制备骨替代或靶向性药物载体等生物医用材料方面提 供一个新途径。基于上述分析，本文从骨的组成与结构仿生观点出发，提出制 备糖类羟基磷灰石纳米复合材料。首先对葡聚糖和壳聚糖进行改性，得到它们 的羧甲基化产物，然后采用仿生原理制备羟基磷灰石生物材料。通过f t - i r 、 t e m 、x r d 、z e t a 电位等手段对羟基磷灰石生物材料的组成和结构进行分析。 论文的创新性在于依据仿生合成的原理，可以在较温和的条件下制备羟基磷灰 石生物材料，并且成功拓展到制备纳米羟基磷灰石磁性生物复合材料。 本论文的另一项工作是通过取不同部位的猪骨进行分组对照实验，探索提 取胶原蛋白的方法及制备纳米羟基磷灰石的工艺途径。 羟基磷灰石纳米生物材科的蜘备与袭征 1 9 论文研究技术线路图 1 9 1 羟基磷灰石纳米生物材料制备的技术路线图 1 4 第一章绪论 1 9 2 猪骨中胶原蛋自的提取和纳米羟基磷灰石的制备技术路线图 参考文献 1 】1 金琪琳，黄云超生物材料对细胞生物学行为的影响生物材料学【j 】材料 科学与工程学报，2 0 0 7 ，2 5 ( 2 ) ：3 1 8 3 2 4 【2 】王静梅，姚松年生物材料及其仿生学的研究进展与展望【j 】无机材料学 报，2 0 0 0 ，15 ( 1 ) ：9 15 3 】d l w i s e ，e b a e r e n c y c l o p a e d i ch a n d b o o ko fb i o m a t e r i a l sa