纳米羟基磷灰石_壳聚糖_羧甲基纤维素三元复合骨修复材料的制备和性能研究

1、纳米羟基磷灰石 /壳聚糖 /羧甲基纤维素 三元复合骨修复材料的制备和性能研究 3蒋柳云 , 李玉宝 , 张 利 , 廖建国 , 杨维虎 (四川大学 纳米生物材料研究中心 , 分析测试中心 , 四川 成都 610064摘 要 : 用溶液共混法在常温常压下制备了不同比 例的纳米羟基磷灰石 /壳聚糖 /羧甲基纤维素三元复合 骨修复材料 。 用燃烧实验 、 IR 、 XRD 、 SEM 及 TEM 对 复合材料的组成结构及形貌进行了分析和观察 , 并初 步研究了其力学性能 。 结果表明该复合材料中纳米羟 基磷灰石均匀分散在壳聚糖和羧甲基纤维素网络结构 中 , 三组分间还产生了一定的相互作用 , 其形态

2、 、 尺寸 及结构与自然骨类似 , 且其抗压强度比纳米羟基磷灰 石 /壳聚糖二元复合材料更高 ; 同时 , 通过调节各组分 比例 , 可制得不同抗压强度的复合材料 。因此 , 该三元 复合材料可望作为一种新型可降解的非承重部位骨修 复材料 , 在生物医学材料的研究中具有重要意义 。 关键词 : 纳米羟基磷灰石 ; 壳聚糖 ;合材料中图分类号 :文章编号 :1001 22041 引 言研制和寻找理想的生物材料用于骨缺损的修复和 替换是医学和生物材料学领域的一项重要课题 。理想 的骨修复材料既要有良好的生物相容性和生物降解 性 , 还应有较高的初期机械强度以为新生组织提供力 学支撑 。 羟基磷灰石

3、 (Hydroxyapatite , HA 因其化学 成分和晶体结构与人骨主要无机成分基本相同 , 故具 有良好的生物相容性和骨传导性 及较好 的生 物活 性 1,2, 目前已广泛应用于临床 , 但其脆性和不易加工 性限制了其应用 。基于此 , HA/高聚物复合材料被广 泛地研究和应用 36。 壳聚糖 (CS 是一种天然可降解 聚阳离子高聚物 , 其降解产物无毒性 、 无致敏性及致癌 性 , 已广泛应用于生物医学领域 7,8。 HA 与壳聚糖复 合制备骨修复材料已有报道 , 但其力学强度尚不令人 满意 9,10。 因此 , 有人尝试用交联剂来提高该复合材 料的力学性能 , 但所用交联剂大都有毒

4、 , 不利于骨细胞 在材料上黏附增殖 11。羧甲基纤维素 (CMC 是天然 纤维素经化学改性后的水溶性纤维素醚类衍生物 12, 属聚阴离子高聚物 , 通常使用其钠盐 。因 CMC 具有 独特的粘合性 、 增稠性 、 成膜性 、 悬浮性和水分保持性 , 因而广泛应用于食品 、 医药 、 化妆品 、 涂料 、 油漆 、 纺织 、 石油和造纸等行业 13,14, 但用于人工合成骨修复材料 还未见报道 。 由于 CMC 的结构与 CS 相似 (如图 1所 示 , 且二者带有相反电荷 , 故在溶液中能产生很强的 离子交联 , 形成稳定的聚电解质网络结构 15,16。基于 此 , 本文以生物相容性 CMC

5、 代替有毒性的交联剂 , 采 用溶液共混法制备 n 2HA/CS/CMC 三元复合无机 /有 机骨修复材料 , 既可提高生物活性 , 保证材料的可降解 性以及避免材料的毒性 , 又可通过无机 /有机界面间的 , 以满足临床上 图 1 壳聚糖 、 纤维素及羧甲基纤维素钠的结构图 Fig 1The st ruct ures of chito san , cellulose and sodi 2 um carboxymet hyl cellulose2 材料与方法2. 1 材料壳聚糖粉末 , 平均分子量 2. 5×105, 脱 乙酰 度 90%, 购自济南海得贝生物工程有限公司 ; 纳米羟

6、基磷 灰石晶体浆液由本实验室自制 ; 羧甲基纤维素钠 , 取代 度为 0. 7, 分子量为 4. 2×108, 购自成都科龙化学试剂 厂 。 实验所用其它试剂均为分析纯 。2. 2 纳米羟基磷灰石 /壳聚糖 /羧甲基纤维素复合材 料的制备按 n 2HA/CS/CMC 的质量比为 40/30/30、 50/25/ (3基金项目 :中荷战略科学联盟国际合作资助项目 (2004CB720604收到初稿日期 :2006209226收到修改稿日期 :2007201226 通讯作者 :李玉宝 作者简介 :蒋柳云 (1975- , 女 , 湖南邵阳人 , 在读博士 , 师承李玉宝教授 , 主要从事

7、生物材料的研究 。25、 70/10/20、 70/15/15、 70/20/10、 80/10/10称取各 组分原料 , 将 CS 溶于 2%(质量分数 的乙酸溶液 , 搅 拌至完全溶解 , 过滤得 3%(质量分数 的透明 CS 溶 液 , 搅拌下缓慢滴入 n 2HA 浆液中 , 混合均匀后滴加 2%(质量分数 的 CMC 水溶液 。滴加完毕 , 调 p H 值 使其形成均一悬浊液 , 剧烈搅拌 8h , 反应中一直保持 p H 值为 5. 5左右直至反应完全 。 浆液静置 24h , 去上 清液后离心洗涤至中性 , 于 60 真空干燥至恒重 , 研 磨成粉 。2. 3 纳米羟基磷灰石 /壳

8、聚糖 /羧甲基纤维素复合材 料的表征将同一块复合材料取 3个平行样品置入马弗炉中 于大气环境下在 800 烧结 4h , 使其中的有机物燃烧 完全 , 以分析复合材料中无机相含量和无机 /有机相之 间的分布均匀性 。用红外光谱 (IR 、 X 射线衍射光谱 (XRD 分 析 材 料 的 组 成 及 相 结 构 , 并 用 透 射 电 镜 (TEM 和扫描电镜 (SEM 观察材料的形貌结构 。采 用含柠檬酸 、 冰醋酸 、 氯化钙 、 磷酸氢二钾 、 明胶等成分 的凝固液将复合材料调成糊状 , 转移入特制模具中压 制成 6mm ×12mm 的样品 , 于 60 下干燥后用万能 材料试验

9、机测试其抗压强度HA/CS 。 33. 1 燃烧实验表 1为燃烧实验结果 , 每个样品均做 3次平行实 验 , 然后取平均值 。结果显示 n 2HA 在各种复合材料 中实际含量与理论含量非常接近 , 表明 n 2HA 晶体在 成型材料中的整体分布是均匀的 , 没有发生相分离 。 表 1 n 2HA/CS/CMC 复合材料在 800 下的燃烧实 验结果Table 1Theoretical and act ual compositions of n 2 HA/CS/CMC compo sites as determined by burn 2out test s at 800理论含量 (% 实际含

10、量 (%n 2HA 有机相 n 2HA 有机相 4030/3040. 2559. 755025/2548. 0151. 997010/2069. 0930. 917015/1568. 6931. 317020/1069. 9730. 033. 2 IR 分析n 2HA 、 CS 、 CMC 及不同比例 n 2HA/CS/CMC 复 合材料的红外光谱如图 2所示 。 图 2(a 是纯 CMC 的 红外光谱 ,3440cm -1为游离 -O H 伸缩振动峰 ,1607和 1420cm -1是 COO -的对称伸缩振动和反对称伸缩 振动 ,1061cm -1为 -O H 的弯曲振动峰 。图 2(b

11、是纯 CS 的红外图谱 , 3420cm -1为 -O H 的伸缩振动峰 , 1655cm -1处 的 吸 收 峰 是 酰 胺 谱 带 的 特 征 峰 , 而 1599cm -1处的肩峰则为胺基的弯曲振动吸收峰 (即酰 胺 II 谱带 。图 2(i 为 n 2HA 图谱 ,3571和 633cm -1分别为 -O H 的伸缩振动和弯曲振动峰 ,1094、 603、 1031、 563cm -1为 PO 3- 4峰 。 图 2(c (h 为复合材料的红外光谱图 。在复合材料光谱中 , 存在各组分的主 要特征峰 , 但发生了一定的偏移 。 1655cm -1处的吸收 峰移至 15991644cm

12、-1, 可能是 -N H 2被质子化为 -N H +3的结果 , 同时仍可观察到 1420cm -1的峰 , 即 COO -依然存在 , 表明两种聚合物 CS 和 CMC 之间有 较强的静电作用 , 发生了离子交联 ; 同时复合材料的一 些 -O H 峰发生了偏移 , 可能是它们三者存在分子间 或分子内氢键作用的结果 。HA/CS/CMC 复合材料的 IR 光 谱Fig 2IR spect ra of n 2HA/CS/CMC compo site 3. 3 XRD 图谱图 3是 n 2HA 、 CS 、 CMC 及不同比例 n 2HA/CS/ CMC 复合材料的 XRD 图谱 。图 3(a

13、中在 2=10和 20°处的两个峰是壳聚糖的两个特征衍射峰 。图 3(b 中在 32和 45°是 CMC 的强衍射峰 。图 3(i 是 n 2HA 的各个特征衍射峰 。 图 3(c (h 的复合材料图谱中 均出现了 n 2HA 和 CMC 的特征衍射峰 , 但峰的强度都 有不同程度的弱化或宽化 , 表明它们之间也有一定的 相互作用 。 但 CS 的衍射峰在复合材料图谱中不太明 显 , 暗示 CMC 加入后与 CS 间发生了一定的作用 , 改 变了 CS 的结晶形态 17。结合以上分析 , CMC 与 n 2 HA 和 CS 之间发生了相互作用 , 其可能的作用方式如 图 4

14、所示 。图 3 不同比例的 n 2HA/CS/CMC 复合材料的 XRD 图谱Fig 3XRD patterns of n 2HA/CS/CMC compo site 图 4 n 2HA/CS/CMC 作用方式Fig 4The interactio n mode of n 2HA/CS/CMC com 2po site 3. 4 SEM 观察图 5是 n 2HA/CS/CMC 复合材料比例为 60/20/20的断面 SEM 照片 。可以看出 , 复合材料中无机相 均匀地分散在 CMC 和 CS 形成的离子交联网络结构 中 , 同时复合材料内部充满着大量孔径大小不等的微 孔 , 类似于自然骨的内

15、部结构 , 这有利于骨细胞与外界 营养物质及水分的代谢交换 , 从而促进新生骨组织的 生长 18 。图 5 n 2HA/CS/CMC 比例为 70/15/15复合材料断面 SEM 照片Fig 5The cro ss 2section p hoto of 70/15/15n 2HA/CS/CMC co mposite 3. 5 TEM 观察图 6是 n 2HA 及 n 2HA/CS/CMC 比例为 70/15/15的复合材料的 TEM 照片 。 其中图 6(a 是 n 2HA 的 TEM 照片 , 图 6(b 是溶液共混法合成的 n 2HA/CS/CMC 比例为 70/15/15的复合材料 TE

16、M 照片 。从图 6(a 可以看出 ,n 2HA 粉末呈纳米级短棒状结构 , 其平 均尺寸大约为 10mm ×50nm 。 这些 n 2HA 纳米颗粒 具有较好的分散性 , 表现出相对均匀的形貌尺寸 。当 加入有机物 CS 和 CMC 后 , 复合材料颗粒变大 , 但仍 呈纳米棒状结构 , 平均尺寸大约 30mm ×80nm 。人 骨中磷灰石也为弱结晶细针状晶体 , 尺寸约为 (510 nm ×(2050 nm 19。故此复合材料 n 2HA 晶体 类似于自然骨中无机成分的形态和尺寸 。图 6 纯 n 2HA 和 70/15/15的 n 2HA/CS/CMC 复合

17、材料的 TEM 照片Fig 6TEM p hotograp hs of p ure n 2HA and 70/15/15n 2HA/CS/CMC composite 3. 6 力学性能测试表 2列出了不同比例 n 2HA/CS/CMC 三元复合 材料和 n 2HA/CS 二元复合材料的抗压强度值 。从表 中数据可知 , 不同比例的三元复合材料都有较高的抗 压强度 , 但当 n 2HA 比例达到 80%时 , 有机网络结构 无法承载 , 其抗压强度最低 CS 和 CMC 1, 。另外 , 当 , 三元复合材料 , 说明 的加入与其它的两种组分间产生了较强的相互 作用 , 从而使无机相和有机相结合

18、得更牢固 。这也从 宏观上证明 CMC 改善了该复合材料的力学强度 。 表 2 n 2HA/CS 和 n 2HA/CS/CMC 复合材料抗压强度测定Table 2The compressive st rengt hs of n 2HA/CS andn 2HA/CS/CMC compo sites复合材料 (%抗压强度 (MPa n 2HA/CS/CMC (40/30/30 119. 91n 2HA/CS/CMC (50/25/25 86. 15n 2HA/CS/CMC (70/10/20 68. 58n 2HA/CS/CMC (70/15/15 85. 03n 2HA/CS/CMC (70/2

19、0/10 74. 91n 2HA/CS/CMC (80/10/10 29. 994 结 论综上所述 , 本文制备不同比例的 n 2HA/CS/CMC 复合材料具有以下特性 :(1 所制备的三元复合材料中 n 2HA 均匀分散 在 CMC 和 CS 网络结构中 , 其形态 、 尺寸及结构与自 然骨中的纳米磷灰石晶体类似 , 复合材料中三组分间 还产生了一定的相互作用 , 且其抗压强度比 n 2HA/CS 二元复合材料更高 ;(2 该三元复合材料中当 n 2HA/CS/CMC 比例 为 40/30/30时 , 其抗压强度最高 , 可望作为一种新型 可降解的非承重部位骨修复材料 , 在生物医学材料的

20、 研究中具有重要意义 。同时 , 对天然纤维素的开发和 利用提供了一条新的途径 。(参考文献 :1 Yuan Huiping , Li Yubao , de Bruijn J D , et al. J.Bio 2 materials , 2000,21:1283.2 Yubao L , Xingdong Z , De Groot K. J. Biomaterials , 1994, 5:263.3 郑 华 , 张 健 , 周爱国 . J.创伤外科杂志 , 2006, 8 (2 :1532156.4 Murugan R , Ramakrishna S. J.Biomaterials 2004,2

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25、64, China Abstract :Nano 2hydroxyapatite/chitosan/weight ratio s were p repared by a co 2solution of t by means of burn 2out test s ,IR , , The result s showed t hat nano 2hydroxyapa 2 tite dispersed in p hases , st rong chemical interactions were p resent among t he t hree p hases. The similar to b

26、one in morp hology , size and st ruct ure. Moreover , t he compressive st rengt h of t he composite was improved compared wit h nano 2hydroxyapatite/chitosan composite , and t he com 2 posites wit h different comp ressive strengt h can be prepared t hrough altering t he ratio of t he t hree composit

27、ions. Obviously , t he degradable compo sites p repared here will display a p ro mising prospect for t he repair of damaged bone in non load 2bearing sites.K ey w ords :nano 2hydroxyapatite ; chitosan ; carboxymethyl cellulose ; composite(上接第 797页 3 Coyle L M , G outerman M. J.Sensors &Actuators

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