β-偏磷酸钙晶须/左旋聚乳酸骨折内固定材料的制备与性能研究

论文摘要

左旋聚乳酸（Poly-L-lactide，简称PLLA）具有良好的生物活性和生物相容性，其降解产物能参与人体的新陈代谢，无细胞毒性，是一种很有应用前景的医用可降解吸收高分子材料。但PLLA的力学强度衰减较快，在骨愈合期内不足以实现对骨的内固定；同时，聚乳酸的降解比较缓慢，达到完全降解至少需要2-3年。偏磷酸钙（Calcium Metaphosphate，简称CMP）材料具有良好的生物相容性和高力学强度，动物植入及组织培养研究亦未发现毒性反应，但其高脆性限制了它在组织工程领域的应用。本研究采用β型偏磷酸钙晶须（β-CMPW）增强PLLA，制备力学性能和降解性能适宜的骨折内固定材料。采用玻璃结晶化方法制备β-CMPW。该法可获得直径为0．2-2μm，长径比达到20-50的晶须材料。实验得出了合成形貌完好的β-CMPW的适宜条件：原料中钙磷比为0．85；采用ZrO2晶核促进剂能使大量晶体快速形成；以0．2mol／L的NaOH溶液作洗滤介质以分离晶须和非晶相；控制玻璃结晶化热处理时间和洗滤时间分别为36h和48h。经X-射线衍射分析（XRD）证实玻璃体的主要组成为β型偏磷酸钙。玻璃结晶化热处理温度由玻璃体的差热分析结果确定。同时，试验采用5wt％卵磷脂改性β-CMPW，表面接触角测试结果表明经卵磷脂改性后材料表面的疏水性得以改善。当采用溶剂浇铸-模压成型（Solvent Casting-Model Compressiving，简称SC-MC）工艺制备β-CMPW／PLLA复合材料时，使用平均粒径为50μm-76μm的粉体，控制β-CMPW含量为50wt％时，得到了抗压强度为80MPa，抗弯强度为40MPa，断裂强度为170MPa的β-CMPW／PLLA复合材料；经5wt％卵磷脂改性的β-CMPW与PLLA复合后材料的抗压强度比未改性材料提高了约25％，断面扫描电镜照片显示改性后的β-CMPW在PLLA中分布均匀。为了避免引入有机溶剂和进一步提高强度，实验研究了粉末混合-模压成型（Powder Mixing-Model Compressiving，简称：PM-MC）工艺所制备材料的形貌和力学强度。结果表明：采用两步温度成型方法得到的25wt％β-CMP—75wt％PLLA样品的抗压强度为112．4MPa，比对应的一步温度成型的样品高出约10个百分点；采取两步模压成型的25wt％βCMPW—75wt％PLLA材料的抗弯强度和弯曲模量分别为126．33MPa和4．3GPa，SEM观察发现材料中仅有少量气泡。透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）照片显示β-CMPW经人体模拟体液浸泡18天后表面有点状刻蚀斑形成，降解28天后晶须形状变得不规则，表面粗糙；降解4周时的红外光谱图表明β-CMPW表面生成了羟基磷灰石。β-CMPW／PLLA经人体模拟体液浸泡后，强度在前8周内几乎没有衰减。45wt％β-CMPW—55wt％PLLA样品降解12周时抗压强度降至初始值的88％，而降解20周时25wt％β-CMPW—75wt％PLLA的抗压强度仍保持在100MPa以上。随降解时间增加，PLLA逐渐脱落，在材料中形成孔洞；凝胶渗透色谱（GPC）测试结果表明β-CMPW／PLLA降解20周后PLLA的数均分子量降至20万左右，重均分子量下降了约32％；XRD图谱显示降解20周时β-CMPW／PLLA材料的表面成分主要为偏磷酸钙和羟基磷灰石。MTT比色结果显示：β-CMPW材料组的OD值都比对照组的OD值高，并且随MTT试验时间延长，成骨细胞的吸收值逐渐增加，最大增长率约为90％；β-CMPW／PLLA的SEM照片显示培养3d时，细胞的黏附和生长形态正常；7d时细胞数量明显增多，显示出良好的生长趋势。荧光显微镜照片显示β-CMPW／PLLA材料上附着的细胞数目随培养时间的增加而迅速增长。这些结果表明：β-CMPW／PLLA没有明显的细胞毒性，是一种具有良好生物相容性的材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚乳酸（PLLA）性质及其在骨修复中的应用
• 1.1.1 聚乳酸的性能和改性
• 1.1.2 聚乳酸类骨折内固定材料的力学性能
• 1.1.3 聚乳酸的生物降解
• 1.1.4 聚乳酸的生物相容性
• 1.1.5 PLA临床应用研究
• 1.2 磷酸钙生物玻璃陶瓷及在骨组织工程中的应用
• 1.2.1 磷酸钙生物陶瓷
• 1.2.2 磷酸钙基陶瓷纤维复合材料
• 1.2.3 偏磷酸钙玻璃及其复合材料
• 1.3 本研究设想及主要研究内容
• 第二章 β-CMPW的制备、表征和表面改性
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 主要试剂及仪器
• 2.1.2 β-CMP晶须的制备、改性方法
• 2.1.3 β-偏磷酸钙晶须的表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 β-CMP粉体XRD图谱
• 2.2.2 不同钙磷比对β型偏磷酸钙晶须形貌的影响
• 2.2.3 添加晶核剂的影响
• 2.2.4 热处理温度对形貌的影响
• 2.2.5 热处理时间的影响
• 2.2.6 洗滤介质的影响
• 2.2.7 洗滤时间的影响
• 2.2.8 卵磷脂表面改性对β-CMP晶须形貌的影响
• 2.2.9 卵磷脂含量对接触角的影响
• 2.3 本章小结
• 第三章 β-CMPW/PLLA骨折内固定材料的制备和力学性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验试剂及仪器
• W/PLLA'>3.1.2 SC-MC工艺成型β-CMP_W/PLLA
• W/PLLA'>3.1.3 PM-MC工艺成型β-CMP_W/PLLA
• W/PLLA复合材料的性能测试和表征'>3.1.4 β-CMP_W/PLLA复合材料的性能测试和表征
• 3.2 结果和讨论
• 3.2.1 SC-MC工艺成型样品的力学性能
• W/PLLA复合材料力学性能的影响'>3.2.1.1 热处理温度对β-CMP_W/PLLA复合材料力学性能的影响
• 3.2.1.2 CMP:PLLA配比（wt%）对复合材料力学性能的影响
• W/PLLA复合材料强度的影响'>3.2.1.3 CMP粉体粒径对β-CMP_W/PLLA复合材料强度的影响
• W/PLLA复合材料抗压强度的影响'>3.2.1.4 卵磷脂改性对β-CMP_W/PLLA复合材料抗压强度的影响
• 3.2.2 PM-MC工艺成型样品的力学性能
• 3.2.2.1 成型温度制度的影响
• 3.2.2.2 成型压力制度的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 β-偏磷酸钙晶须和β-CMPW/PLLA复合材料的体外降解
• 4.1 降解样品的制备和降解溶液的配制
• 4.1.1 β-偏磷酸钙晶须的制备
• W/PLLA复合材料的制备'>4.1.2 β-CMP_W/PLLA复合材料的制备
• 4.1.3 降解实验溶液的配制
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 β-偏磷酸钙晶须在体外降解过程中的形貌变化
• 4.3.2 体外降解对β-偏磷酸钙晶须表面的影响
• W体外降解前后的红外吸收光谱'>4.3.3 β-CMP_W体外降解前后的红外吸收光谱
• 4.3.4 体外降解时间对复合材料抗压强度的影响
• W/PLLA复合材料形貌的影响'>4.3.5 体外降解对W-CMP_W/PLLA复合材料形貌的影响
• 4.3.6 体外降解对SBF溶液pH值的影响
• 4.3.7 体外降解对PLLA分子量的影响
• W/PLLA复合材料降解过程表面物质成分分析'>4.3.8 W-CMP_W/PLLA复合材料降解过程表面物质成分分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 β-CMPW和β-CMPW/PLLA复合材料的生物相容性实验
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 标准试件的制备
• 5.1.2 主要实验设备
• 5.1.3 大鼠成骨细胞培养、鉴定
• 5.1.4 材料与细胞复合培养
• 5.1.5 MTT法测细胞与材料共孵育后细胞的增殖情况
• 5.2 分析测试仪器和方法
• 5.2.1 扫描电镜（SEM）观察
• 5.2.2 MTT比色分析法测定光吸收值
• 5.2.3 荧光显微镜观察
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 复合材料细胞形态学观察
• 5.3.2 MTT比色结果
• 5.3.3 荧光显微镜实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 本研究的创新点及展望
• 攻读硕士学位期间参与撰写的学术论文
• 攻读硕士学位期间的获奖情况
• 致谢