生物医用材料研究进展

医用羟基磷灰石的研究进展摘要：羟基磷灰石(HA)是人体骨、牙无机组成的主要成分，组成生物体骨、牙组织的磷灰石晶体为纳米级、低结晶度、非化学当量和被多种离子的置换的针状纳米微晶．纳米羟基磷灰石由于与生物硬组织结构成分相似，以及在结构上的可模拟性，在生物医用材料研究中占据着重要的地位，并以各种应用形式出现在各类医学研究中。羟基磷灰石[Calo(P04)6(0H)2】(hydroxyapatite，HAp)是一种生物活性材料，具有独特的生物相容性，是人体和动物骨骼、牙齿的主要无机成分【I】，基于HAp良好的生物活性以及生物相容性，使其成为理想的硬组织替代材料，广泛应用于硬组织修复、药物载体和抗肿瘤活性的研究。关键词：羟基磷灰石；特性；医用功能前言：生物材料是生命科学和材料科学的交叉边缘学科，成为现代医学和材料科学的匿要领域之一．预计生物材料的发展将成为21世纪国际经济的主要支柱产业之一。生物医学材料的历史与人类的历电一样漫长，最初人们用木、金属、动物牙齿作为牙齿种植修复的材料．到19世纪，金、镀、锦等开始用T-口腔修复中，而陶瓷作为骨种植材料具有意义的研究是smitll在20世纪印年代开始的。70年代玻璃陶瓷、羟基磷灰石等进入n舱临床以后，把口腔种植修复推向丁新阶段，特别是80年代以来各种复合材料的H}现，使几腔种植的临床应用更加广泛。纳米羟基磷灰石是人体骨、牙无机组成的主要成分，具有骨引导作用，在较短的时间内能与骨坚固结合，结合了生物材料和纳米材料的优点，临床已广泛应用，在生物医用材料中也占据着重要的地位．羟基磷灰石(HA)具有骨引导作用，在较短的时间内能与骨坚固结合，临床已广泛应用．生物体内天然羟基磷灰石以纳米晶体的形式存在，为65～80nm的针状结晶体．根据“纳米效应”理论，单位质量的纳米级粒子的表面积明显大于微米级粒子，使得处于粒子表面的原子数目明显增加，提高了粒子的活性，十分有利于组织的结合．目前人工合成的纳米羟基磷灰石直径在1—100nm之间，钙磷比值约为1．67，因而与人骨的结构和成分很相似，是一种理想的组织植入材料．然而以羟基磷灰石作为骨植入材料因强度偏低，尤其是脆性太大尚难直接应用于人体承载部位。正文：羟基磷灰石概念：羟基磷灰石制备方法：1.高温分解法2．煅烧磷酸钙法3．干法合成4．湿法合成：包括(1)沉淀法；(2)水热合成法：(3)微乳液法；(4)溶胶．凝胶法和(5)电沉积法。功能：羟基磷灰石与人骨有着良好的生物相容性，在体内有一定的溶解度，能释放对机体无毒害的某些离子，参与机体代谢，对骨质增生有刺激或诱导作用，能促进缺损组织的修复［］。优点：HA的Zr02(3Y)增韧陶瓷对生物体无毒、无刺激吐、无溶血反应及诱变厦应．也无细咆毒性．娃一种生物相容性较好的惰性生物陶瓷。含}L～的生物陶瓷具有良好的生物相容性，尤毒性及免疫原性，不影响骨组织生长。研究进展：1．1．1与生物降解性高分子材料复合自然骨中的羟基磷灰石晶体相互连接，形成连接的有支持力的类胶原纤维样结构，并与胶原纤维平行．纳米羟基磷灰石／胶原骨(NHAC)材料，模仿天然骨成分及结构特性，为细胞提供与天然骨类似的微环境，有助于骨系统的粘附、增值和功能发挥．DU等【2_]将一定比例的胶原与纳米羟基磷灰石混合成具有三维空闻结构的复合材料，体外实验发现骨细胞可粘附生长．国内黄永辉【4J等应用胶原骨作为植骨替代物对21例骨折后骨缺损患者进行治疗，临床观察表明胶原骨具有良好的生物相容性和骨传导性．壳聚糖(chitosan，简称CS)是一类重要的碱性天然多糖，其具有良好的生物再生性、生物降解性、生物相容性、无毒及生物功能性，在生物医学领域应用广泛．张利等【5】用粒子沥滤法制备出了NHA／CS复合多孔材料，其抗压强度达17MPa，可满足骨组织工程支架材料的要求．从理论上讲NHA／CS复合体与成骨活性物如骨形态发生蛋白类(BMP)，骨髓基质细胞(MSC)的复合是较为理想的移植材料，但目前还未见到国内外上述复合组织工程化人工骨在动物实验和临床研究的相关报道，有待于进一步研究．1．1．2与非天然有机生物材料复合【6】纳米羟基磷灰石／聚酰胺66复合材料体外浸泡研究显示该复合材料表现出良好的稳定性和生物活性．【7】研究NHA／PA66对入胚胎纤维细胞可能存在的细胞毒性，体外实验结果显示。NHA／PA66与人胚胎纤维细胞相容性好．【8】NHA／PA66复合人工骨修复犬下颌骨缺损研究显示NHA／PA66具有骨引导和潜在骨诱导作用．[8]混旋聚乳酸2纳米羟基磷灰石(PDLLA2nanoHA)复合板动物实验，复合板在体内降解速度适中，对骨折愈合过程无不良影响，比纯PDLLA板更适用于颌骨骨折．1．1．3多相复合材料纳米羟基磷灰石胶原材料(NHACK／PLA)是NHA与胶原及聚乳酸三种成分复合而成，扫描电镜观察，可见材料孔径较大，孔隙率及孔隙交通率高，有利于细胞增殖．赵基栋等分离培养人骨髓间充质干细胞(MSCs)。与纳米羟基磷灰石复合材料于体外联合培养，X片摄片动态观察，见骨缺损处连接良好．双相钙磷生物陶瓷是由一类羟基磷灰石HA和目一磷酸三钙(B—TCP)按不同比例组成的硬组织修复材料，通过控制其比例来控制其降解速度，以达到临床应用目的．JOHNSON等【10j发现在胶原中加入NHA和TCP制得复合物，其骨再生能力得到明显提高．1．2纳米羟基磷灰石胶层植入体金属基纳米羟基磷灰石涂层材料既具有金属的强度、韧性，又具有纳米材料的组织相似性和生物材料的生物相容性，将它作为植入材料和机体在纳米尺度上的结合能十分有效地改善生物相容性、可植入性、结合强度以及电、热等的绝缘性．谭延斌等[11】对NHA梯度涂层植入体在动物体内的成骨情况和植入体一骨界面的细胞因子的表达进行研究，结果植入体一骨界面能快速地达到骨性结合，TNF-a、IL取IL-6表达水平较低，IL-10水平明显高于钛合金组，说明NHA材料能减少炎性细胞因子的表达，增加抑炎性因子的表达，同时植入体一骨面剪切强度优于钛合金组．涂平生等n2】通过NHA涂层人工关节治疗犬骨质疏松症的实验研究，证明含NHA涂层人工关节柄周围结构较好．2人工软骨改性及人工角膜支架聚乙烯醇(PvA)水凝胶具有弹性高、易于成型、无毒副作用及良好的生物相容性【l引，在生物医学领域具有广泛应用，如作为人工软骨【H】．但是聚乙烯醇人工软骨假体与骨基底的结合性能差，影响了软骨的固定和修复功能，采用聚乙烯酵与纳米羟基磷灰石复合，可大幅度提高人工软骨与骨基底的结合性能．许风兰等Its]用纳米羟基磷灰石与聚乙烯醇制备了一种新型的人工角膜，光学中心用柔韧透明的聚乙烯醇水凝胶。周边支架采用纳米羟基磷灰石与聚乙烯醇复合的多孔水凝胶．动物实验术后进行裂隙灯和组织学观察表明复合人工角膜生物相容性好，支架与宿主角膜可发生生物性愈合．CRLEON应用纳米羟基磷灰石制作人工角膜支架，支架能与角膜基质生成生物性结合Ll引．3抗肿瘤作用和药物载体纳米羟基磷灰石作为骨组织的无机成分，具有良好的生物相容性，且能被组织细胞消化分解，是理想的药物基因载体或搞癌药物的材料．纳米羟基磷灰石粒子由于粒径小，具有较大的表面能，因而易被恶性肿瘤细胞所吞噬，其可以通过细胞膜和核膜导致DNA损伤，对细胞周期有阻断，并抑制癌基因c2myc的表达．1966年起，shipu等报道了羟基纳米磷灰石粒子对人肺癌及胃癌细胞有抑作用．【17】等通过体外细胞毒性实验，观察细胞形态及超微结构等方法，研究纳米羟基磷灰石粒子对骨肉瘤U220S细胞有明显的抑制作用，且随浓度(31．25btg／mL到500vg／mL)和作用时间(1d--3d)的增加而增加，细胞出现皱缩、核浓缩、核碎裂等凋亡特征．纳米羟基磷灰石粒子对急性白血病患者的体外白血病生长具有明显抑制作用．【17】发现纳米羟基磷灰石粒子能作为一种载体吸附多柔比星(ADM)、丝裂霉素C、氟尿嘧啶等抗肿瘤药物，在体外Ca29细胞和HSC23细胞培养中，这种载有ADM的纳米羟基磷灰石比单用ADM或纳米羟基磷灰石的对照组有着更显著的生长抑制作用，提示能增强对肿瘤细胞增殖的抑制．4在口腔医学中的应用纳米羟基磷灰石(NHA)与牙齿釉质中的羟基磷灰石晶体很相似，用纳米羟基磷灰石进行直接盖髓，牙髓反应轻，可更快地促进骨样牙本质形成．吕奎龙等【幅】采用因正畸拔除的无龋双尖牙，从硬度、晶体光性、釉面形貌三个方面观测了含纳米羟基磷灰石牙膏对人牙早期龋的再矿化作用，结果牙釉面显微硬度值上升，晶体光性改变，釉面空隙减少，表面光滑，呈现明显的再矿化作用．口腔树脂类粘接剂中无机填料的主要作用是赋予材料良好的物理机械性能，廖红兵等【19】将纳米羟基磷灰石作为填料与TF口腔正畸粘接剂复合，可以提高粘接强度。其中拉伸强度为9．67±1．06MPa，剪切强度可达11．99±1．4MP氆完全能够满足正畸对粘接强度的要求．作为长期存留于口腔内的根充材料，其生物相容性好的纳米羟基磷灰石是较为理想的材料，李平等【20】通过体外研究纳米羟基磷灰石根充糊剂无细胞毒性，符合生物体应用的基本要求．钇／羟基磷灰石纳米微晶对口腔细菌如变形链球菌、血链球菌、粘性放线菌的生长繁殖均有抑制作用[21】，可能有助于控制牙周炎症，具有促进因牙周感染导致的骨缺损的修复和防治根面龋的作甩．纳米羟基磷灰石复合骨修复材料同样应用于口腔颌面骨骨折和缺损的修复．现临床上常用的主要有下述■类：@)件状骨内}lA涂层种植体：由羟基磷灰涂层与钛合食所组成，形状与Branemark种植体相似．1984q7月，Kent等将柱状骨内HA涂层种植体旨先用于临床．次年9月，该种植体得到了荑国牙科学会的正式认nf，j{被命名为“整合性”(Integml)种植体h”．②小型ttA涂层接骨板：由羟基磷灰石涂层与钛台金或由羟基磷灰石涂层与不锈钢所组成，形状与Michele!喇接骨板相似，但可根据固定的要求．设计或改制形状．90年代开始在L1腔颌面部手术中应用．2羟基磷灰石涂层植入体的理化性能HA涂层植人体具有羟基磷灰石与金属底质共同的理化性能．羟基磷灰石的抗张强度(terLsiletrength)低．脆性大，缺乏机械强度，但具有较高的抗压强度(compressivestrength)及良好的生物相容性．金属底质的生物相容性不如羟基磷灰石。但具有合适的抗张强度和抗剪强度(shearstrength)．将羟基磷灰石与金属结合，充分利用羟基磷灰石良好的生物相容性与金属材料的合适机械强度，起到取长补短，互为丰H补的作用。关丁HA涂层植入体中金属底质的各项理化性能，美国试验材料学会(ASTM)已制定有统一标准供二产商选用．但对于其涂层的理化性能，目前尚无统一标准可供选用．因为涂层的结构与原来纯6自体的羟基磷灰石有所不同．经喷涂处理后，羟基磷灰石晶体受到了部分破坏，形成涂层中掺杂了一定遣的无定形非晶体成分，此种结构上的差异导致了羟基磷灰石涂层与羟基磷灰石在理化性能方面的不同．对羟基磷灰石的材料学研究表明：羟基磷灰石中的晶体成分愈高，其溶解率则愈低，植人体内后发生吸收的时问则愈长．Kay在活体内比较了羟基磷灰石与磷酸三钙、HA涂层与TCPf磷酸三钙)涂层植人体在溶解度(dissolutionrate)方面的差异，得出的数值是：羟基磷灰石的溶解度低于磷酸三钙25倍；HA涂层种植体的溶解率低于TCP涂层种植体I10倍…羟基磷灰石的这种低溶解率特点在维持植人体的长期稳定性方面起到了重要作用。关J二HA涂层的理化性能，目前认为理想的tIA涂层应具备以下理化特点：钙磷比率为167；晶体成分小少于90％：抗张强度为40～80MPa；抗剪强度为10～20MPa…3羟基磷灰石涂层植入体植入后的生物学反应HA涂层植人体中羟基磷灰石具有良好的生物及嗜骨特点(superiorbiologicandosteophilicproperties)，与其他类型种植体相比，HA涂层植人体植人后的生物学反应具有两个显著特点：①植入体与宿上骨之间无纤维组织介入．两者呈直线接触；②植人体的周围可迅速产生骨适应(fasteradaptati