重庆大学
硕士学位论文
缺钙纳米羟基磷灰石/胶原复合支架材料的制备
姓名：帅丽
申请学位级别：硕士
专业：药物化学
指导教师：季金苟
2010-04
摘要
骨组织修复材料长期以来都是生物医学材料领域的热门课题。近二十年来，由于组织工程支架材料的很多优点使得其已逐渐成为骨修复材料研究发展的方向。支架材料的发展经历了由单一的生物高分子材料、无机生物陶瓷材料等向复合多孔支架材料发展的道路。
羟基磷灰石（HA）与有机聚合物复合的材料是当前硬组织修复材料研究中的热点之一。HA是人骨无机结构的主要成分，具有较好的生物相容性和生物活性，能与骨组织中的其他成分形成牢固的键合，因此HA一直是骨修复和替代材料研究的主要课题。但由于其脆性大，韧性差，在生理条件下缺乏抗疲劳性，因此限制了它的临床应用范围。如果将HA与一些弹性和韧性较好，且成分与人骨接近的生物大分子复合，就可以将二者的优势充分结合起来，有望得到强度高、柔韧好、可塑性强、力学性能好且具有良好生物相容性和生物活性的新一代骨修复材料。基于以上原因，本课题所采用的生物大分子为胶原，将胶原蛋白与HA进行复合，从而最大限度地发挥其各自的特点，扩大其临床应用范围。
本文以草鱼鱼鳞为原料，采用胃蛋白酶从鱼鳞中提取胶原蛋白，通过单因素实验考察不同前处理、提取介质以及不同的提取方式对胶原蛋白提取效率的影响，研究结果表明：鱼鳞胶原蛋白的最佳提取工艺为采用微波辅助去杂，以0.1mol/LHCl浸泡除钙，再以1%的柠檬酸（含1%胃蛋白酶）作为提取介质，并用超声辅助提取的方法得到的I型胶原蛋白。把纯化后的鱼鳞胶原蛋白用以红外光谱分析，确定所提取鱼鳞胶原蛋白的特征基团。
本文以Ca(NO3)2·4H2O、(NH4)2HPO4和NH4HCO3为原料，采用化学沉淀法辅以微波辐射制备了含碳酸根的纳米缺羟基磷灰石（d-CHA）、磷酸三钙（TCP）、不含碳酸根的纳米缺钙羟基磷灰石（d-HA）、以及HA，通过共混法和共沉淀的方法制得不同类型的磷酸钙/胶原复合支架，并将其通过在模拟体液中的浸泡来考察其生物活性。然后采取XRD、IR、SEM等现代化分析手段，以及化学物理分析
方法，对复合材料的成分、微观结构、孔隙率等性质进行了分析和表征。研究结果表明：采用化学沉淀法辅以微波辐射所制备的d-CHA是制备复合支架的理想材料。含碳酸根纳米羟基磷灰石/胶原复合材料从自身结构成分分析更接近人体自然骨的成分，而且其孔隙率可达65%以上，能满足骨细胞生长的要求。该复合材料材料
能够达到一定的抗压强度，能满足骨缺损填充材料的要求，同时强度也可以通过控制支架形成的孔隙率来调整其强度以满足不同的需要。所以含碳酸根纳米缺钙羟基磷灰石/胶原复合支架可望成为具有良好生物相容性、力学性能及生物降解性，能符合骨细胞生长的复合生物材料。
关键词：d-CHA，胶原蛋白，多孔复合材料，模拟体液，降解
ABSTRACT
The material for repairing bone tissue is a hot topic in the field of biomedical materials. Tissue engineering material with many advantages has been the direction of the material to repair bone deficiency over twenty years. Tissue engineering scaffolds goes through the developement from biodegradable poly and bioceramic materials to composite porous scaffolds.
Hydroxyapatite/organic polymer biomedical composite is one of the hotspots of hard tissue biomateri
als reaarch. Hydroxyapatite (HA), the main mineral composition of bone, can form strong bone-bonding with natural bone and has been ud extensively for biomedical applications and bone regeneration bad on its high biocompatible and bioactive properties. However, due to the brittleness, high modulus and fatigue failure in vivo, the application of HA is restricted in clinic. If HA can combine with a biomacromolecule which has a good elasticity and flexibitity and has the similar ingredients to nature bone, a new material to repair bone tissue may be obtained, which has good strength, flexibitity, plasticity, biocompatible and bioactive properties. In this experiment, HA combines with collagen which is a biomacromolecule. Their abilities can be developed well, then the u of HA can be extended in clinic.
Collagens were extracted from the fish scale of grass crap with pepsin. The effects of pretreatment, extraction medium and the way of extraction on the yield of collagen were studied. The result shows that the optimum extraction conditions are dislodging the impurity with the help of microwave, decalifying with 0.1mol/L HCl, extracting the type I collagen with ultrasonic wave and 1% citric acid (contains 1% pepsin) as extraction solutions. Purified collagens were analyzed by IR which confirms the characteristic groups.
In this paper, Ca(NO3)2·4H2O, (NH4)2HPO4 and NH4HCO3were ud as starting matrials. Calcium-
deficient carbonated HA (d-CHA) nanoparticles, TCP, Calcium-deficient HA (d-CHA) nanoparticles, HA were synthesized using a precipitation method assisted with microwave irradiation. We u blending method and coprecipitation method to make different kinds of Hydroxyapatite/collagen composite scaffolds. The composites soaked in the simulated body fluid to study the biocompatible property. Its characters such as composition, microstructure, porosity were analyzed with XRD, IR, SEM and some chemical and physical methods. The result shows that:
d-CHA powders synthesized using a precipitation method assisted with microwave irradiation were the ideal materials to prepare composite scaffolds. The components of d-CHA/collagen composites are similar to nature bone. The porosity could reach more than 65% which is suitable for bone cell fostering. The compressive strength, which can be adjusted by controling the porosity, satisfy the requirement of reparing bone deficiency. So the composites can be expected to be a kind of bone tissues engineering material with favorable biocompatibility, mechanical properties, biodegradability and suitability for bone tissue growing.
Keywords：d-HA, collagen, porous composites, simulated body fluid, degrad
重庆大学硕士学位论文 1
绪论
1 绪论
1.1 引言
生物医用材料（Biomedical Materials）是一种通过与生物体内各系统相互发生
作用以达到诊断、修复或替换生物体中的组织、器官为目的的材料。由于它是与
体内各组织发生作用，所以难免对人体组织、血液等会产生一定的影响，因此它
的各项性能指标与人类生命和健康密切相关[1]。
几十年来，经过各国学者不断地研究和开发使得生物医用材料的研究和应用
获得了前所未有的成就，解决了大量的关于这方面的疑难杂症，从很大程度上提
高了人类的生命质量。随着现代科学技术的发展和社会老龄化的出现，以及各种
原因所导致的不同程度的创伤增加，人们对生物医用材料及制品的需求越来越大。
在临床上骨缺损主要由于创伤、肿瘤、感染所造成的，针对这种情况，目前的
很多疗法都有各自的局限性，尤其对于大范围骨缺损的治疗仍没有得到解决。目
前的治疗主要有以下几点局限性：(1)自体骨移植受自身供体有限性的限制，(2)异
体骨存在抗原性问题，(3)以金属、陶瓷或高分子材料制造的人工骨替代材料多数
是作为永久植体，因此它们不能参与人体的新陈代谢，长期使用会引起一些副作
用，效果不佳。所以人工合成的具有良好生物活性并且与自然骨成分相似的骨修
复材料应运而生，这种材料可提供有助于成骨细胞的粘附、增殖及功能的发挥并
且与天然骨相类似的微环境，它不仅可以直接作为骨缺损修复材料，也是很好的
骨组织工程载体材料，为骨组织工程的发展开拓了广阔的前景。
纳米羟基磷灰石复合生物材料主要是指在纳米羟基磷灰石中复合一种或者多
种材料，从而获得有利的组织学反应、满意的强度和刚性，使得组织再生合成的
支架材料。这种支架材料中纳米级羟基磷灰石以填充于有机基质，而有机基质为
羟基磷灰石提供其所需的一定形状。纳米羟基磷灰石复合材料充分发挥了其的生
物相容性，也充分发挥了有机聚合物优越的可塑性以及生物降解性。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 骨组织修复材料的研究现状
骨骼是人体所占比例最大的器官，对其他器官起到了保护支持作用。它的主
要成分是钙元素且为钙元素的存储部位，还是重要造血器官，并承载着人体的绝
大部分重量。加强对骨组织的结构的认识和了解对骨组织替代材料的微观结构设
计有着深远的影响。首先我们可以对骨组织的基本组成成分进行了解：它的成分
（非细胞结构）主要包含了：有机成分中的胶原蛋白，蛋白质、糖类、脂类等；
以及无机成分，主要是以磷酸钙及其磷酸盐类的形式存在，还有部分水。其中，
