微量氟、锌、锶掺杂羟基磷灰石晶体结构及生物学效应研究

发布时间：2020-06-10 11:54

【摘要】：基磷灰石(hydroxyapatite,简称HA)与天然硬组织的无机成分相似,有生物相容性好、骨传导能力强等特点,是一种应用广泛的硬组织损伤修复材料。但是HA材料在使用过程中存在一些问题:HA在体液中有一定的溶解度,因此HA涂层种植体在植入体内一段时间后会出现涂层部分溶解,导致骨结合失败;同时HA抑菌性差,易发生细菌感染、种植体松动等问题。针对这些问题,本论文从生物仿生角度出发,研究天然硬组织中存在的微量元素对HA晶体结构、生物学活性及抗菌性的影响,以更好地理解微量元素在硬组织的多级有序结构的形成及优异的生物学性能等方面发挥的作用,进而制备兼具生物活性及抗菌性的硬组织植入材料。本论文取得的主要成果如下:1.微量氟元素对于合成过程中前驱相向氟掺杂羟基磷灰石(FHA)相转变过程的影响。通过水热法合成了一种具有多级结构的FHA纯相纳米晶聚集体。通过FHA形成过程中的结构和形貌变化分析F在FHA相转化过程中的作用。我们发现了F存在时引起前驱相DCPA向FHA拓扑转变的晶体取向不同于其与HA间的取向关系,根据HRTEM结果及DCPA与FHA的晶体结构模型分析,FHA合成过程中存在以下晶体学取向关系:FHA[010]∥DCPA[001]和FHA(001)∥DCPA(010),造成了DCPA和FHA两者c轴间的关系由HA的平行关系变为FHA的垂直关系,从而形成c轴取向有序排列的纳米晶。该研究有助于从晶体生长机理方面了解氟元素对于羟基磷灰石晶体结构的重要影响,同时对于探讨牙釉质中微量氟的重要作用提供了新的思路。2.微量氟元素引起FHA晶体中出现Ca缺陷等活性反应中心,同时改变FHA的形貌及表面性质,使其具有较好的成骨细胞活性和抗菌性。发现微量F掺杂HA(F0.02)为缺钙型HA,其晶体结构中存在的缺陷数量明显高于HA及大量F掺杂HA样品。Ca缺陷的存在使F0.02晶体结构中形成净偶极矩,势能水平发生变化以及产生强酸位点等活性中心。F0.02还具有与天然磷灰石类似的长径比和较大的比表面积。因此,微量F掺杂HA样品F0.02具有比HA及含氟量高的样品(F1和F2)更好的蛋白质吸附能力,能够显著促进成骨细胞在材料表面的粘附增殖以及提高其分化活性和成骨基因的表达。此外,微量F掺杂引起HA的晶格能增加,溶解度降低,材料表面亲水性降低,与Ca缺陷形成的活性中心共同起作用,使得微量F掺杂HA表现出显著的大肠杆菌抗菌性。由于微量氟掺杂羟基磷灰石兼具优异的成骨活性和抗菌性且无细胞毒性,使其在硬组织替代材料方面具有潜在应用价值。3.微量F-Sr和微量F-Zn共掺杂HA的生物学效应研究。水热法制备了Sr掺杂、Zn掺杂、F-Sr共掺杂及F-Zn共掺杂HA。发现Sr掺杂HA不仅显著促进成骨细胞黏附、增殖,还可以抑制肿瘤细胞生长,对研究骨肿瘤部位骨缺损修复具有重要意义。F-Zn共掺杂可以提高Zn的稳定掺杂量,显著提高Zn在HA晶格内的稳定性。微量F-Sr及微量F-Zn共掺杂HA样品均具有比大量元素共掺杂HA更好的蛋白质吸附性能及成骨细胞活性,掺杂量的增加明显降低材料的生物活性。微量F-Sr及微量F-Zn共掺杂HA比单一元素掺杂更好地促进成骨细胞的粘附、增殖以及分化。同时微量元素共掺杂HA具有较好的抗菌性,特别是F-Zn共掺杂HA,对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果显著。因此,微量元素共掺杂对于提高HA的晶体结构稳定性、生物活性及抗菌性具有重要作用,通过微量元素共掺杂将有助于提高HA植入体的长效稳定性。4.微量F掺杂HA及微量F-Zn共掺杂HA真空等离子喷涂涂层体外、体内成骨性及抗菌性研究。微量F掺杂、F-Zn共掺杂HA涂层经历等离子喷涂高温过程,均能够保持晶体结构,比HA涂层具有更为稳定的结构及更高的涂层结合强度。微量元素掺杂HA涂层体外成骨细胞活性较好,没有溶血性,适宜进一步开展动物体内实验。动物体内实验表明,微量元素掺杂HA涂层浸提液均对小鼠无组织器官毒性,不影响小鼠的正常生命活动。同时,微量元素掺杂HA涂层植入体在新西兰兔体内具有较好的成骨性,并且金黄色葡萄球菌感染实验发现,两种涂层种植体在沾染菌液情况下均与骨组织融合良好,种植体表面形成的新生骨组织明显多于HA,具有较好的抗菌性及成骨性。因此,微量F掺杂HA涂层及微量F-Zn共掺杂HA涂层作为骨替代材料具有广阔的应用前景。
【图文】：

示意图,釉质,牙冠,有序结构

有机质占 0.4%-0.9%，水占 3.6%-2.1%白，可溶性成釉蛋白分散于晶体间隙。天然牙釉净的 HA 晶体，常含有 F-、Cl-、CO32-、Na+和，HA 晶体为六方棱柱形，长度 250-1000 nm，釉质中 HA 晶体尺寸大于牙本质中的 HA 晶能，减小比表面积，提高抗酸蚀能力。成牙体的主体部分，其中矿物质占 65%-75%，，牙本质的矿化程度不如釉质，但是弹性比质的 1/5[10]，但是釉质界处硬度较高，大约为近釉柱的支持。牙本质与釉质结合在一起，主要承完整牙齿即使在如此情况下很少发生断裂，这牙本质的韧性和柔顺性来实现的。

示意图,示意图,器官,无定形磷酸钙

图 1.2 骨在不同尺度下的多级组成结构示意图[11]。ic representation of the hierarchicial organization of bonescales.所有器官中所占比例最大的器官，为其他器官素，是钙元素的存储部位，也是重要的造血器的有机成分以及主要以羟基磷灰石形式存在的机和有机成分的共同作用下，骨在具有较好的体骨组织中的胶原蛋白主要为 I 型胶原蛋白（ nm，，并且在组织中形成了纤维之间交互编织而磷灰石均匀分布在胶原纤维上，包括长约 40无定形磷酸钙（β Ca3(PO4)2）晶体。其中，
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O76;R318.08

【相似文献】