基于金属离子配位作用增强壳聚糖三维材料的研究

摘要

使用具有较高机械强度的壳聚糖三维材料作为骨折内固定材料,较之传统的金属类内固定材料,具有明显优势:生物相容性更好,无应力遮挡,无需二次手术等,所以研究具有更高强度和更好生物活性的壳聚糖三维材料具有重大的社会意义和经济意义。鉴于壳聚糖可以和某些金属离子形成结构稳定的配合物,并且很多金属离子对于人体健康尤其是骨折恢复治疗具有重要意义,本课题制备并研究了多种壳聚糖/金属离子配合物三维材料。
　　 1)使用溶液混合-原位沉析法制备了壳聚糖/铁离子配合物三维材料。利用铁离子对壳聚糖强烈的配位能力,使其与溶液状态的壳聚糖分子预配位,在随后的原位沉析过程中使铁离子能够在壳聚糖沉析的同时与其发生原位配位反应,与两个壳聚糖结构单元形成类交联结构的配合物,从而达到增强三维材料的目的,同时在三维材料中引入了铁元素,以期达到促进骨折恢复的目的。使用亚铁离子改性壳聚糖三维材料,在能形成类交联结构而增强三维材料的引入了具有更好生物活性的亚铁离子。比较了铁离子,亚铁离子改性三维材料以及亚铁离子复合成型后氧化成铁离子改性三维材料的改性效果,发现使用铁离子改性三维材料效果最佳。
　　 2)使用锌盐作为改性剂,采用溶液混合-原位沉析法制备了壳聚糖/锌离子配合物三维材料,改善三维材料机械性能的同时引入了具有较好抗菌性能,并在体内具有重要生理作用的锌离子。经研究发现锌离子增强壳聚糖三维材料机理包括:通过与两个壳聚糖结构单元形成具有类交联结构的配合物而达到增强的目的:通过在浓度梯度的驱动力和壳聚糖吸引力共同的作用下形成锌离子梯度分布,而产生了自增强效果。
　　 3)使用氯化铜作为改性剂,研究了铜离子含量、醋酸浓度等因素对壳聚糖/铜离子配合物三维材料性能的影响,结果表明铜离子对壳聚糖分子上的氨基和羟基具有极强的配位能力,可以与溶液状态和凝胶状态下的壳聚糖分子形成稳定的配合物,可以提高壳聚糖凝胶的压缩强度到原来的15倍,极大的提高了三维材料的性能。
　　 4)分别使用四种镁盐对壳聚糖三维材料进行改性,发现硫酸根可以提高镁离子的改性效率。但是作为一种碱土金属离子,镁离子对壳聚糖的配位能力较弱,只能通过与壳聚糖分子上的自由氨基配位而达到增强壳聚糖三维材料的效果。
　　 综上,通过金属离子与壳聚糖形成具有类交联结构的配合物来增强三维材料的同时在体系中引入了具有良好生物活性和重要生理功能的金属离子,改善三维材料性能的同时将三维材料功能化。其中铁离子和铜离子对三维材料弯曲强度的提高最佳,最高分别可达212 MPa和235.7 MPa,有望用于骨折内固定的治疗材料。