新型生物复合材料—HA/ZrO梯度复合材料的制备及生物相容性研究

摘要

由于肿瘤、感染、磨损等原因所致的骨缺损在临床十分常见。传统的骨缺损修复方法，如自体骨移植、异体骨移植，但由于取自体骨痛苦大、后遗症多，异体骨又有排异，不能作为常规应用于临床。而人工合成骨替代物，如羟基磷灰石因为结构与骨骼的无机矿物质结构相似，作为骨替代物被用于骨移植，但限制HAP临床应用的主要不利因素是其易碎的特性和较差的抗拉力强度，在骨创面易发生植入材料的流失，且抗压性能差。 如何在HAP优良生物活性的基础上来提高其机械性能，目前主要有金属材料表面进行HAP涂层，涂层方法有离子无序法、电化学沉积法、等离子喷涂法等，其中以等离子喷涂法因使金属与HAP结合紧密而较为盛行，但该法对温度条件要求较高，当温度条件改变时，易发生HAP涂层脱落等问题，而且终难以避免在人体环境中产生腐蚀、金属离子向机体组织游离、导致机体组织炎症、过敏等问题。而在HA中加入金属、陶瓷、玻璃、SiC晶须及碳纤维等第二相颗粒增强体的方法，其力学性能提高不显著。而功能性梯度复合方法是在较低温度下进行的简单、有效方法，这种方法有利于提高两种异种固体材料相邻界面的紧密结合，有利于减小并有效分布热应力，防止裂缝的产生。 本单位在浙江省科技厅的资助下，与上海大学高材料研究所联合研制了一种新型生物复合材料—HA/ZrO2梯度复合材料(Gradedzirconia-hydroxyapatitecompositebioceramic)。氧化锆具有良好强度和生物相容性，因其特殊的增韧机制，优于其它陶瓷材料，室温下3mol％Y2O3部分稳定的氧化锆陶瓷具有优良机械性能(抗弯强度为1200MPa)和高的断裂韧性(K1C达15MPa·m1/2)。以氧化锆作为基体材料制备的复合材料能够达到人体负重部位的使用要求。作者用干铺-烧结的方法制备HA/ZrO2梯度复合材料，使氧化锆材料的高强度、高韧性和HA的生物活性有机地结合起来。 植入体内的或与人体血液接触的生物材料及制品应用于临床的前提和基础是必须检测其生物安全性，即材料的生物相容性。根据国际标准化组织ISO10993-1:1992医疗器械生物学评价标准和要求，对HA/ZrO2梯度复合材料进行了一系列体内外实验研究，观察其生物相容性及其诱导、传导成骨能力，为该材料的临床应用奠定基础。 实验分五个部分进行观察研究：(一)HA/ZrO2梯度复合材料的的制备及其理化特性研究。应用干铺烧结法制备HA/ZrO2梯度复合材料。用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)和EDAX能谱仪对复合材料的表面形貌、复合成分、截面结构、涂层结合强度和抗弯性能进行测试分析。 (二)HA/ZrO2梯度复合材料的生物相容性研究。按照《中国卫生部生物材料和医疗器械生物学评价的技术要求》[卫药发(1997)第81号]中的要求，对HA/ZrO2梯度复合材料进行急性毒性实验、溶血实验、骨肌肉植入实验，以评价复合材料的生物相容性。 (三)HA/ZrO2梯度复合材料的免疫相容性研究。通过材料的浸提液培养新提取的健康年轻人末梢血单个核细胞(PBMC)，包括对PBMC凋亡、CD3/CD69的表达、淋巴细胞的转化和细胞因子变化的检测，来评价ZrO2梯度复合HAP生物陶瓷材料的免疫相容性。 (四)HA/ZrO2梯度复合材料的骨细胞相容性研究。采用体外细胞培养技术，将鼠成骨细胞种植于HA/ZrO2梯度复合材料上，用光镜及扫描电镜等观察细胞在材料中的生长情况和相互关系。 (五)HA/ZrO2梯度复合材料和骨界面间的生物学连接研究。通过生物复合材料与骨界面的骨性结合率、剪切力的测定和界面的生物学观察，来评价二者间的生物学连接。 通过以上研究，为新型生物复合材料-HA/ZrO2梯度复合材料的临床应用提供理论和实验依据。 实验获得以下主要结果和结论：1、本研究首次采用干铺烧结法将具有骨传导能力的ZrO2和具有骨诱导作用的HA梯度复合，制备成新型生物复合材料-HA/ZrO2梯度复合材料。该HA/ZrO2梯度复合材料的表面层主晶相为β-Ca3(PO4)2(β-TCP)、a-Ca3(PO4)2(a-TCP)和CaZrO3相，其平均抗弯强度为868.04MPa，最高抗弯强度为1027.27MPa;表面粗糙度为1.95μm。 2、HA/ZrO2梯度复合材料发现ZrO2梯度复合HA生物陶瓷是一种无细胞毒性、无急性体内毒性、不致溶血性，并具有良好组织相容性的生物材料。该材料植入窗后可诱导新骨形成，骨组织直接在其表面生长，中间无过渡层，并随时间增长，且新生骨组织互相交织成网，提高了材料本身及材料与骨组织界面的结合强度，最终新生骨完全布满植入材料的表面，新生的骨小梁还可根据力学要求逐渐改建。因此，该材料是一种较理想的植入性骨科生物陶瓷材料。 3、采用梯度复合技术制备HA/ZrO2生物陶瓷有助于提高材料的免疫相容性。 4、培养的鼠成骨细胞能够在HA/ZrO2梯度复合材料表面正常地粘附、延伸、增殖，可引起早期的骨界面的形成。随着培养时间的延长(2-7天)，鼠成骨细胞在HA/ZrO2梯度复合材料表面的密度增加，并以锚状结构牢固地附着于材料表面，且分泌细胞外基质，覆盖并完全包裹材料，说明HA/ZrO2梯度复合材料具有良好的骨细胞相容性。 5、HA/ZrO2梯度复合材料具有良好的骨诱导性和骨传导性，生物相容性和免疫相容性良好，成骨效能优，能够与骨界面形成良好的生物连接。

目录

英文缩写一览表

第一部分：一种新型生物复合材料—HA/ZrO2梯度复合材料的制备及其理化特性研究

第二部分：新型生物复合材料—HA/ZrO2梯度复合材料的生物相容性的实验研究

第三部分：新型生物复合材料—HA/ZrO2梯度复合材料的体外免疫相容性的实验研究

第四部分：新型生物复合材料—HA/ZrO2梯度复合材料的骨细胞相容性的研究

第五部分：新型生物复合材料—HA/ZrO2梯度复合材料与骨界面之间生物连接研究

全文总结

文献综述之一 生物材料的界面生物效应的研究进展

文献综述之二 生物陶瓷的研究进展

攻读博士期间发表主要论文

致谢