有机小分子调控磷酸钙晶体生长研究

发布时间：2018-10-12 11:58

【摘要】：设计合成具有特殊形貌和结构的无机材料,由于其特定的物理化学性能及生物学效应,而得到广泛关注及研究。磷酸钙作为人体硬组织主要无机成分,具有良好的生物相容性和生物活性,因而广泛应用于骨组织修复领域。磷酸钙晶体的形貌、大小及化学组成等性质会显著影响磷酸钙材料的物理化学性能(如：溶解性、热稳定性及机械性能等)及生物学效应(如蛋白吸附性能、细胞行为等)。特别是具有微纳米结构的磷酸钙材料,因其较大的比表面积,能显著增强材料的蛋白吸附及促进细胞生长。因此,在微纳米尺度上调控磷酸钙形貌及结构具有重要意义。本文采用仿生合成的方法,创新性的利用结构对称、所含官能团不同的有机小分子作为形貌控制剂,在水热条件下实现了对磷酸钙生长过程的有效调控,从而成功制备出具有不同表面微纳结构的磷酸钙粉体及涂层。同时,对有机小分子调控磷酸钙晶体生长过程进行研究分析。此外,还对不同微纳米结构磷酸钙粉体及涂层的蛋白吸附性能及细胞行为影响进行考察。在此基础上,我们还考察了低剂量微量元素铜对磷酸钙生长过程及性能的影响,以期提高骨修复效率。主要内容及结果归纳如下：首先,在水热条件下,以尿素为沉淀剂,通过对反应温度、时间、尿素含量等参数的考察,研究各种参数条件尿素对磷酸钙晶体生长的影响,得出制备晶形完整及结晶度高的羟基磷灰石(HA)晶体的反应参数。150℃下,以尿素小分子为沉淀剂,浓度为0.56 M,反应3 h,制备出宽度约1μm,长径比为50～100,且结晶度高的HA晶须,并对尿素调控形成HA晶须的机理进行分析推测。接着,在水热条件下,以尿素为沉淀剂,研究肌醇六磷酸(IP6)、环己六醇(IS)和环己烷六羧酸(H6L)这三种分子结构相似,但所含官能团不同的有机小分子对磷酸钙生长的影响。结果表明：当IP6浓度大于1.7%时,产物为表面由纳米结构组成的空心微球,且随着IP6浓度上升,微球表面纳米结构从片状向线状,进而向球粒状转变；溶液中添加IS后,晶须状HA发生软团聚,聚集成簇；溶液中添加H6L后,随着H6L浓度增加,晶须状HA向花瓣状片状聚集物转变,进而转变为不同纳米结构组成的空心微球。对空心微球形成过程进行透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和红外(FITR)检测,证实IP6调控形成的空心微球与H6L调控形成空心微球过程相似,均以“无定形纳米微球”为模板,钙磷离子以此模板为基础发生自组装,形成HA晶体,内部“无定形纳米微球”消失,形成HA空心微球。同时,选择磷酸钙粉体进行蛋白吸附实验表明,磷酸钙粉体的微纳米结构对蛋白质具有选择性吸附,且具有微纳米结构的磷酸钙对蛋白质的释放起到缓释作用。细胞实验表明,与片状HA相比,微球状HA更有利于骨髓间充质干细胞(BMSCs)的增殖、分化。在此基础上,鉴于微量元素铜在骨组织生长过程中的重要性及促血管发生、抗菌等功能,在磷酸钙合成过程中添加铜离子,从而合成新型磷酸钙功能材料。X射线光电子能谱(XPS)检测及HA晶格参数变化表明铜离子取代部分钙离子进入HA晶格。铜离子的掺入,会加快磷酸钙粉体的降解,也会影响磷酸钙的生长习性,生成花瓣状掺铜HA微球。且当溶液中铜离子加入量高于5%时,HA产物热稳定性下降。当IP6浓度低于1%时,铜离子与IP6对磷酸钙的生长起到协同调控的作用。细菌实验表明,当溶液中铜离子加入量高于5%时,材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较好的抗菌作用。细胞实验表明,掺铜磷酸钙对细胞没有明显的毒性,且对BMSCs的生长没有显著影响。然后,在水热条件下,利用H6L辅助磷酸钙在支架表面沉积。随着H6L浓度增加,沉积在HA支架表面磷酸钙晶体由片状向线状,继而向球状转变。且沉积磷酸钙涂层的HA支架较裸支架有明显的钙离子释放,且释放速率为：球状线状片状。支架吸附蛋白实验表明,具有微纳结构表面的支架其蛋白吸附性能优于裸支架。细胞实验表明,支架表面微纳米结构对细胞ALP活性表达影响不同。细胞在球形磷酸钙晶体表面的ALP活性最高,线状及片状磷酸钙晶体次之,在裸支架表面最低。综上所述,有机小分子的加入能有效调控磷酸钙的生长,合成具有不同微纳米结构的磷酸钙粉体及涂层；不同微纳米结构的磷酸钙对蛋白质具有选择性吸附,同时对蛋白质的释放起到控释作用；调控磷酸钙粉体及涂层的微纳结构能有效调控细胞分化行为。此外,微量金属元素铜的加入,也能有效调控磷酸钙晶体生长,为合成具有特定结构的新型磷酸钙功能材料提供了借鉴。本文所获得的进展对磷酸钙微纳米结构构建提供了重要参考,也为骨组织修复微环境的构建开拓了新的思路。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ132.32;O78

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