聚L-乳酸复合纳米羟基磷灰石人工骨组织修复材料的制备及性能研究

摘要

[目的] 聚-L-乳酸（poly-L-lactide，PLLA）生物材料，因其优良的生物相容性、可降解吸收性和一定的力学强度，被广泛用作骨组织缺损修复及骨折内固定材料。但是，单纯的聚乳酸材料脆性差，PLLA高分子材料植入体内4~8周后即失去其初始力学强度，不能对新生骨组织提供有效的支撑；且其降解产物呈酸性，易导致炎症反应的发生，因而限制了PLLA作为生物材料的进一步应用。纳米羟基磷灰石粉末（n-HA），作为填充在高分子基生物材料中的无机相，能够有效改善PLLA植入材料的刚度、生物活性和降解速率以及减少因酸性降解产物而引起的炎症反应。本文通过采用自制的PLLA与n-HA为原材料，制备了PLLA/n-HA复合生物材料，并对复合材料进行生物力学性能，生物降解性以及生物相容性等方面的研究，以期待寻找适用的、理想的人工骨组织修复材料。 [方法] 本文以n-HA增强PLLA高分子材料为出发点，选用自制的PLLA、纳米羟基磷灰石（nano-hydroxyapatite，n-HA）为原材料，通过熔融共混法制备了PLLA/n-HA复合材料；对PLLA材料及PLLA/n-HA复合材料的力学性能，微观形貌和体外降解性能进行了研究。主要方法如下： 1．采用减压蒸馏技术和水洗-重结晶提纯技术制备得到纯度极高的L-丙交酯（LLA）（99.95%），并采用开环聚合法制备高分子量聚-L-乳酸。 2．采用化学共沉淀法制备纳米羟基磷灰石，得到的n-HA分散程度较好，呈长棒状，粒径大小约为30-50 nm，长度在30-100 nm之间，具有较好的结晶性能。改性后的n-HA表面与硅烷偶联剂产生弱的化学键，表面覆盖一层偶联剂活性分子。 3．采用熔融共混法制备PLLA/n-HA复合材料，所得PLLA/n-HA条形样品基本上不透明，呈乳白色。 4．以磷酸盐缓冲液(PBS)作降解介质，研究PLLA和PLLA/n-HA生物复合材料在PBS中的体外降解性能。 [结果] 1．高纯度L-丙交酯的制备（LLA）与PLLA的制备及其性能测试结果 采用减压蒸馏技术及水洗-重结晶新技术制备了以L-丙交酯为单体、辛酸亚锡（Sn(Oct)2）作引发剂，采用阳离子开环聚合法制备了超高分子量的PLLA。考察聚合时间、聚合温度及引发剂含量对聚-L-乳酸分子量的影响，得到了合成高分子量PLLA的最适宜条件。即反应时间24 h，反应温度140 ℃，单体与引发剂的物质的量之比为12000：1。在最适宜条件下制备的PLLA分子量分布较窄，粘均分子量为65万。此外，作者研究了PLLA分子量与其力学强度之间的关系，结果表明：PLLA材料的抗弯强度和抗弯模量均随PLLA分子量的增加而增加，抗弯强度和抗弯模量分别可达176 Mpa和2.78 Gpa。PLLA样品断口形貌表明，随着PLLA分子量的增加，PLLA样品的韧性逐渐增强；并可在断口表面观察到PLLA的球形结晶痕迹。 2．PLLA-nHA复合材料制备及其性能测试结果 采用熔融共混法制备PLLA/n-HA复合材料，研究了n-HA含量对PLLA/n-HA复合材料的力学性能的影响，结果表明：掺入n-HA粉末后，除拉伸强度降低外，PLLA/n-HA复合材料的抗弯强度、抗弯模量、拉伸模量和剪切强度均比PLLA材料要大很多；当n-HA粉末含量为20wt%时，PLLA/n-HA复合材料的抗弯强度和剪切强度可分别达到175 Mpa和123 Mpa；复合材料的抗弯模量和拉伸模量随着n-HA含量的增加而增加，最大值可分别达6.8 Gpa和3.5 Gpa。填充在PLLA/n-HA中的长棒状n-HA颗粒对复合材料起到了很好的增强作用。 3．PLLA和PLLA/n-HA复合材料进体外降解性能研究结果 主要研究了PBS中各生物材料在降解过程中发生的吸水率、失重率、分子量大小及分布系数、力学性能、断口形貌以及PBS的pH值的变化；研究结果表明：PLLA和PLLA/n-HA样品的吸水率和失重率均随着降解时间的延长逐渐变大；在同一降解时期，和PLLA/n-HA样品的吸水率明显高于PLLA样品的吸水率，而PLLA/n-HA样品的失重率明显低于PLLA样品的失重率，填充的n-HA降低了PLLA/n-HA样品的降解速度；同一时期，浸有PLLA/n-HA样品的PBS溶液pH值要比浸有PLLA样品的PBS溶液pH值高。随着降解时间的延长，PLLA和PLLA/n-HA样品的力学强度均逐渐降低；但PLLA/n-HA样品在降解初期（10周之前）能保持较好的力学强度。 [结论] 1．L-丙交酯开环聚合制备高分子量PLLA的最适宜条件：反应时间24 h，反应温度140℃，单体与引发剂的物质的量之比为12000：1。在最适宜条件下制备的PLLA分子量分布较窄，粘均分子量为65万。高分子量PLLA（粘均分子量为65万）的抗弯强度和抗弯模量分别为176 Mpa和2.78 Gpa。 2．PLLA/n-HA复合材料的的抗弯强度、抗弯模量、拉伸模量和剪切强度因n-HA的增强作用均比纯PLLA材料要大很多；n-HA粉末含量为20 wt％的PLLA/n-HA复合材料的抗弯强度和剪切强度分别可达175MPa和123 Mpa。 3．PLLA和PLLA/n-HA生物复合材料在PBS中的降解过程说明 PLLA/n-HA材料在植入初期降解较小，与纯PLLA材料相比更能保持较好的初始力学强度，为骨组织生长提供良好的支撑作用。

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综述 纳米羟基磷灰石复合聚乳酸人工骨研究新进展

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