多功能羟基磷灰石复合材料的制备及其性能研究

发布时间：2020-07-07 01:13

【摘要】：人工关节置换术假体深部感染和假体无菌性松动是导致手术失败的主要原因，在假体植入前，于植入骨床内涂布负载抗感染和促进成骨作用的复合材料可望成为有效的治疗手段。羟基磷灰石（HAP）成分与天然骨组织相似、具有良好的骨传导性和生物相容性，已被应用于骨组织药物载体及骨填充等生物医学领域。海藻酸钠和明胶都具有良好的生物相容性，被广泛应用于组织工程领域。注射用盐酸万古霉素（VAN）为窄谱抗生素，对革兰氏阳性菌（如St.aureus）具有很强的抗菌效果。重组人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）在骨形成与骨修复过程中，对成骨细胞和软骨细胞的增殖分化具有良好的调节作用。本研究课题选用球形纳米HAP作为药物载体，对具有抗感染作用的VAN和促进成骨作用的rhBMP-2进行负载和缓释，并将其与具有粘结作用的氧化海藻酸钠/明胶进行复合制成多功能羟基磷灰石复合材料，并对其体内外生物相容性及抗菌性能进行研究。旨在设计并制备一种具有持续抗菌性，并能促进成骨作用的医用复合材料，该复合材料可望用于人工关节置换及骨组织工程。主要研究内容及研究结果如下：（1）羟基磷灰石颗粒的制备及缓释性能研究。采用丝胶调控、冷冻干燥及马弗炉烧结法成功制备了nHAP纳米颗粒，通过X-射线粉末衍射仪、透射电镜和比表面积孔径分析仪对其形貌、孔径、比表面积和孔隙率进行表征和分析，结果显示，该颗粒形貌近球形，粒径在37nm左右，孔径、孔隙率和比表面积分别为11.72576nm、51.76%和67.8154m2g-1。采用原核表达体系提取rhBMP-2蛋白，SDS-PAGE电泳观察到有约18kD的蛋白条带，BCA蛋白浓度测定试剂盒测定复性后蛋白浓度约为200μg/mL。分别采用室温真空吸附法和37℃静置吸附法实现了颗粒对VAN和rhBMP-2蛋白的负载，研究了负载率随吸附液中药物量及吸附时间的变化规律，以及缓释性能。实验结果表明，当吸附时间为24h，VAN的吸附率最佳，且不受吸附液中VAN量的影响，药物缓释呈现先快后慢的特点，最长释放时间可达15d；当吸附液中rhBMP-2量大于200μg，吸附时间为12h时，其吸附率最佳，药物缓释呈现先慢后快的特点，总的释放时间为7天。（2）氧化海藻酸钠（OSA）/明胶（GT）复合材料的制备及性能研究。采用高碘酸钠氧化法成功制备了OSA，通过盐酸羟胺-电位滴定法测得其醛基浓度和氧化度分别为5.4909±0.0084mmol/g和54.39±0.083%。室温及硼砂作用下，成功将OSA与GT进行交联，通过流变学对其粘度和凝胶时间的比较，得出10%OSA和15%GT最佳体积比为1:2和1:3。OSA/GT复合材料浸出液细胞毒性实验表明，两体系复合材料对细胞均无明显毒性，细胞粘附实验表明，1:2体系复合材料更有利于细胞的粘附，性能良好。随后实验选用10%OSA和15%GT体积比为1:2的体系。（3）多功能羟基磷灰石复合材料的制备及其性能研究。通过载药颗粒的不同配比，成功制备了VAN-nHAP/OSA/GT、rhBMP-2-nHAP/OSA/GT、VAN-rhBMP-2-nHAP/OSA/GT和nHAP/OSA/GT四种复合材料。体外抗菌实验得出，该复合材料可在体外持续抗菌；利用MG-63细胞研究复合材料在体外对细胞增殖、分化的影响。构建SD大鼠颅骨缺损模型，体内观察复合材料抗炎及促骨作用。体外实验结果表明，rhBMP-2蛋白的负载可促进细胞的增殖和分化，VAN的负载不影响rhBMP-2对细胞增殖及分化的作用。体内实验结果表明该复合材料能在体内起到抗感染，促进新血管和新骨的形成。综上所述，本研究成功制备了载药nHAP颗粒，并通过该颗粒的不同配比与OSA/GT复合材料进行复合，制备得到了多功能羟基磷灰石复合材料。体外抗菌实验表明该多功能复合材料可达到持续抗菌的作用。体内外实验表明，该多功能复合材料具有良好的生物相容性，在达到抗感染的同时可促进新骨的形成，可望用于人工关节置换及骨组织工程中。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.08;TB332
【图文】：

曲线,热重分析

浙江理工大学硕士学位论文多功能羟基磷灰石复合材料的制备及其性能研究2.3 实验结果2.3.1 nHAP 颗粒的表征2.3.1.1 热重分析（TG）经冷冻干燥后制备得到的纳米羟基磷灰石颗粒，虽已反复用双蒸水和无水乙醇洗涤过，但仍免不了部分丝胶的残余。图 2.1 为 SS-nHAP 的 TG 曲线，由图可看出，该颗粒有两个明显的失重阶段：第一阶段为 30~200 ℃，此阶段为失水阶段，是由 SS-nHAP 颗粒含有部分水分所致；第二阶段为 200~650 ℃，此阶段为颗粒中所含 SS 分解所致。由于 SS 与后续实验中所用的 rhBMP-2 同属于蛋白质，它的存在会影响 rhBMP-2 的负载与释放的测量，所以本实验采用热处理的方法去除 SS，以 5°/min 的升温速率上升至 650 ℃，在此温度下保温处理 3 h，以便完全去除 SS。

曲线,纳米羟基磷灰石

谱图,纳米羟基磷灰石,标准卡,衍射峰

以便完全去除 SS。图 2.1 SS-nHAP 的热重分析图图 2.2 纳米羟基磷灰石颗粒的 XRD 图2.3.1.2 X 射线衍射分析（XRD）图 2.2 是本实验制备的纳米颗粒 XRD 谱图，由图可见，与 HAP 标准卡（JCPDS 09-432）对比，SS-nHAP 颗粒在（211）晶面有个强而宽的衍射峰，表明该颗粒结晶度较差，为弱结晶性 HAP；nHAP 颗粒在 2θ为 25.9°、31.7°、33.2°、32.9°、39.7°处出现较强的衍射峰，这些衍射峰分别对应于 HAP 标准卡上的（002）、（211）、（112）、（300）和（310）晶面，表明该颗粒的主晶相为羟基磷灰石，谱图上的峰形较尖锐，表明该颗粒的结晶度较好。有此可知，经烧结后的 nHAP 较 SS-nHAP 结晶性较好。

【参考文献】