多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料的制备

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.03.016

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

羟基磷灰石：又称羟磷灰石，碱式磷酸钙，是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机组成成分，具有优良的生物相容性和骨诱导性，能与骨形成直接结合，属于骨组织修复中的常用材料之一，但其脆性较大。

聚酰胺：俗称尼龙，具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工，适于用玻璃纤维和其他材料的增强改性。

背景：与同种致密骨修复材料相比，多孔材料虽然强度低，但材料中的三维多孔网状结构能够保证其具有更大的表面积，更加有利于细胞的黏附、生长及分裂等，更加有利于传输营养物质。

目的：探讨多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料的制备方法及其性能。

方法：采用化学发泡法制备多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料，通过调节发泡剂用量、复合材料中纳米羟基磷灰石的含量制备不同的复合骨修复材料，检测材料的力学性能、孔隙率及组成成分变化。

结果与结论：多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料孔呈近似管状通道，孔贯通性相对较好，分布较均匀，孔径260-400 µm，孔隙率在35%-57%之间，发泡剂用量、羟基磷灰石使用量及复合材料的密度均能够影响总孔隙率。多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料具有良好的力学性能，显著高于松质骨抗压强度，加入发泡剂后，纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料的形状、组成及衍射峰并未发生明显变化，且材料以纳米尺度存在。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

ORCID: 0000-0002-8663-3065(强巴单增)

关键词: 生物材料, 纳米材料, 多孔纳米羟基磷灰石, 聚酰胺, 复合骨修复材料, 发泡剂, 制备方法, 性能, 广东省自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Compared with dense bone repair materials, porous materials has lower intensity, but its three-dimensional porous network structure can ensure a larger surface area that is more conducive to cell adhesion, growth and division as well as nutrient transmission.
OBJECTIVE: To investigate the preparation and performance of porous nano-hydroxyapatite/polyamide composites.
METHODS: Porous nano-hydroxyapatite/polyamide composites were prepared using chemical foaming method, and different composite bone repair materials were made by regulating foaming agent amount and nano-hydroxyapatite content. Mechanical properties, porosity and composition of the composite bone repair materials were detected.
RESULTS AND CONCLUSION: Porous nano-hydroxyapatite/polyamide composites were substantially tubular
channels, and had relatively good connectivity and uniform distribution, with a pore size of 260-400 μm, porosity of 35%-57%. Foaming agent amount, nano-hydroxyapatite content and density of composite materials all are influential factors of the total porosity. Porous nano-hydroxyapatite/polyamide composites have better mechanical properties and compressive strength than the cancellous bone, and the foaming agent has no influence on its shape, composition and diffraction peaks.

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强巴单增，刘晓兰. 多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料的制备[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(3): 392-396.

Qiangbashanzeng, Liu Xiao-lan. Preparation of porous nano-hydroxyapatite/polyamide composites for bone repair[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(3): 392-396.

图/表（结果） 5

参考文献

[1] 程琳,李玉宝,左奕,等.纳米轻基磷灰石/聚酞胺多孔支架材料的制备及其结晶行为研究[J].功能材料,2007,38(1):47-52.

[2] 蒋电明,权正学,欧云生.n-HA/PA66复合生物活性支撑材料在重建椎体结构中的初步临床应用[J].重庆医学, 2007, 36(11): 1010-1012.

[3] 蒋电明,权正学,黄伟.纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎板的初步临床应用[J].中国修复重建外科杂志, 2007,21(5): 441-444.

[4] 蒋电明,权正学,欧云生.纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎体在胸腰椎爆裂骨折中的应用[J].中华创伤杂志, 2006, 22(12):884-887.

[5] 王群波,蒋电明,李智.纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合人工椎体治疗胸腰椎椎体肿瘤的效果[J].第三军医大学学报, 2006, 28(3): 263-265.

[6] Ito Z,Matsuyama Y,Sakai Y,et al. Bone union rate with autologous iliac bone versus local bone graft in posterior lumbar interbody fusion. Spine(Phila Pa 1976). 2010;35(21): E1101-1105.

[7] Watanabe K,Yamazaki A,Morita O,et al.Clinical outcomes of posterior lumbar interbody fusion for lumbar foraminal stenosis: preoperative diagnosis and surgical strategy. J Spinal Disord Tech.2011;24(3):137-141.

[8] Thian ES,Huang J,Ahmad Z,et al.Influence of nanohydroxyapatite patterns deposited by electrohydrodynamic spraying on osteoblast response.J Biomed Mater Res A.2008;85(1): 188-194．

[9] Abd El-Fattah H,Helmy Y,El-Kholy B,et al.In vivo animal histomorphometric study for evaluating biocompatibility and osteointegration of nano-hydroxyapatite as biomaterials in tissue engineering.J Egypat Natl Canclust.2010;22(4): 241-250．

[10] 梁熙,蒋电明,倪卫东.纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合骨填充材料修复良性骨肿瘤骨缺损临床疗效观察[J].中国修复重建外科杂志, 2007,21(8):785-788.

[11] 吴佳奇,杨天府,刘洋,等.多孔PA66 /n-HA复合MSCs修复兔膝关节骨软骨缺损的初步研究[J].生物医学工程学杂志, 2008,25(6): 1349-1353.

[12] 郭涛,杨天府,肖杰,等.新型生物复合材料聚乙烯醇/纳米羟基磷灰石+聚酰胺66修复关节软骨及软骨下骨缺损[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(14):2623-2627.

[13] 张健,安洪,周爱国.纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料人工肱骨头柄界面成骨的实验研究[J].激光杂志,2008,29(2):94-95.

[14] 梁勇,蒋电明.纳米羟基磷灰石/聚酰胺66椎间融合器对山羊颈椎的融合效果研究[J].第三军医大学学报, 2007, 29(24): 2333- 2335.

[15] 肖智博,吕富荣,吕发金,等.纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料预防椎板切除后椎管狭窄、粘连的初步影像研究[J].重庆医科大学学报,2006,31(4):489-493.

[16] Wemer J,Lirmcr-Krcmar B,Friess W,et al.Mechanical properties and in vitro cell compatibility of hydroxyapatite ceramicswith graded pore structure.Biomaterials.2002; 23(21): 4285-4294.

[17] Ioletti DP,Takei H,Lin T,et al.The effects of calcium phosphate cementparticles on osteoblast function. Biomaterials. 2000; 21(10):1103-1114.

[18] 张凯,王大平,朱伟民,等.骨髓间充质干细胞与纳米羟基磷灰石支架材料题外相容性研究[J].中国临床解剖学杂志, 2011, 29(2): 213-217．

[19] Phipps MC,Clem WC,Catledge SA,et al.Mesenchymal stem cell responses to bone-mimetic electrospun matrices composed of poly caprolactone，collagen I and nanoparticulate hydroxyapatite.PLoS One.2011;6(2):e16813.

[20] 李鸿,李玉宝.纳米羟基磷灰石/聚酰胺 66 多孔材料制备和生物安全性初步评价[J].生物医学工程杂志,2008,25(5):1126-1129．

[21] 王明波,李玉宝,牟元华,等.纳米轻基磷灰石/聚乙烯醇/明胶复合水凝胶的结构与性能研究[J].功能材料,2006,37(9):1477-1480.

[22] 王迎军,杜昶,赵娜如,等.仿生人工骨修复材料研究[J].华南理工大学学报:自然科学版,2012,40(10):51-58．

[23] 廖世波,赖琛,张志雄,等.骨修复复合材料及其相关问题的研究进展[J].中国生物医学工程学报,2012,31(5):755-761．

[24] Kolk A,Handschel J,Drescher W,et al.Current trends and future perspectives of bone substitute materials: from space holders to innovative biomaterials.J Cranio-Maxillofac Surg. 2012;40(8):706-718．

[25] Heo SJ,Kim SE,Wei J,et al.Fabrication and characterization of novel nano-and micro-HA/PCL composite scaffolds using a modified rapid prototyping process. J Biomed Mater Res A. 2009;89(1):108-116．

[26] Tsai SW,Hsu FY,Chen PL.Beads of collagen- nanohydroxyapatite composites prepared by a biomimetic process and the effects of their surface texture on cellular behavior in MG63 osteoblast-like cells.Acta Biomater. 2008; 4(5):1332-1341．

[27] Fukui N,Sato T,Kuboki Y,et al.Bone tissue reaction of nano-hydroxyapatite/collagen composite at the early stage of implantation.Biomed Mater Eng.2008;18(1):25-33．

[28] Cunniffe GM,Dickson GR,Partap S,et alDevelopment and characterization of a collagen nano-hydroxyapatite composite scaffold for bone tissue engineering.J Mater Sci Mater Med. 2010;21(8):2293-2298．

[29] Zhou J,Xu C,Wu G,et al.In vitro generation of osteochondral differentiation of human marrow mesenchymal stem cells in novel collagen hydroxyapatite layered scaffolds.Acta Biomater. 2011;7(11):3999-4006.

[30] 任天斌,宋莹,冯明,等.热压-盐析法制备骨组织工程的工艺及性能表征[J].中国组织工程研究与临床康复, 2009, 13 (42): 8281-8285．

[31] Gupta A,Tripathi G,Lahiri D,et al.Compression molded ultra high molecular weight polyethylene-hydroxyapatite-aluminum oxide-carbon nanotube hybrid composites for hard tissue replacement.J Mater Sci Technol.2013;29(6):514-522．

[32] Fouad H,Elleithy R,Alothman OY.Thermo-mechanical，wear and fracture behavior of high-density polyethylene/ hydroxyapatite nano composite for biomedical applications: effect of accelerated ageing.J Mater Sci Technol. 2013;29(6): 573-581.

[33] 王珍萍,黄苏萍,周科朝.原位矿化法制备羟基磷灰石/高密度聚乙烯复合材料[J].粉末冶金材料科学与工程,2006,11(6):363-366．

[34] 李东梅,张盛忠,陈涛,等.羟基磷灰石/超高分子量聚乙烯复合材料的组织相容性及骨传导性试验研究[J].中华整形外科杂志, 2004,20(5):180-183．

[35] 周聪颖,李启期,魏杰,等.纳米氟磷灰石-聚醚醚酮种植体骨整合效能研究[J].实用口腔医学杂志,2013,29(1):20-24.

[36] 蒋电明,权正学,黄伟,等.纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合生物活性人工椎板的初步临床应用[J].中国修复重建外科杂志, 2007, 21(5):441-444.

[37] 代震宇,李军,蒋电明,等.纳米羟基磷灰石/聚氨基酸复合材料生物安全性评价[J].第三军医大学学报,2010,32(21):2294-2299.

[38] 许勇,朱立新,田京.纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合材料与兔骨髓间充质干细胞的生物相容性[J].中国组织工程研究与临床康复, 2009,13(8):1423-1426.

[39] 黄谦,吴涛,梁杰.全骨髓培养法和密度梯度离心法分离hBMSCs 的比较研究[J].中国修复重建外科杂志, 2009, 23 (11): 1360-1364.

[40] Xiao Y,Gong T,Zhou S.The functionalization of multi-walled carbon nanotubes by in situ deposition of hydroxyapatite. Biomaterials.2010;31(19):5182-5190.

引言

骨修补技术是临床上使用较多的治疗方法，常见的修复技术主要包括自体和异体骨移植技术，该方法受到自身供体的限制及抗原性限制。而其他修复材料，如金属、陶瓷或者其他材料，使用后虽然能够满足治疗需要，但长期疗效欠佳，治疗后并发症发生率较高^[1]。随着中国医疗技术的飞速发展，分析生物研究也在不断深入，再加上组织工程学的迅速发展，使得新兴的复合材料在骨缺损修复中被广为使用^[2]。

近年来，多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料在骨修复技术中应用广泛，且效果理想。人工合成羟基磷灰石是临床上使用较多的材料，该材料具有与人体骨组织无机成分磷灰石类似的组织及晶体结构，具有良好的生物相容性和骨诱导性，能与骨形成直接结合，属于骨组织修复中的常用材料之一^[3-4]。为了改善材料的脆性和可加工性，将羟基磷灰石同高分子材料复合能够获得良好的力学性能，同时该材料的合成及性能成为生物医学材料研究的重点内容^[5-6]。程琳等^[1]研制出了纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料，该材料具有良好的生物力学性能，尤其是具有较强的压缩强度、弯曲强度，该材料与人体皮质十分相似。研究结果显示，与同致密材料相比，多孔材料虽然强度低，但材料中的三维多孔网状结构能够保证其具有更大的表面积，从而更加有利于细胞的黏附、生长及分裂等，更加有利于传输营养物质，并及时排除排泄物，从而能够有效地提高临床治疗效果^[7-9]。实验探讨多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料的制备方法及其性能。

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材料方法

1.1 设计观察性实验。

1.2 时间及地点于2013年12月至2014年12月在四川大学附属医院骨科实验室完成。

1.3 材料聚酰胺66，相对分子质量为18 000-25 000，由德国公司提供；研究中使用的纳米磷灰石由四川大学附属医院骨科实验室制作。采用溶液法自制纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料。从市面上购买专用发泡剂。

1.4 实验方法将纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合材料加入到含少量发泡剂的无水乙醇中，充分搅拌混合均匀，然后将其放置在温度为80 ℃的真空烘箱中烘干，让无水乙醇充分挥发，然后取不同质量的干燥分料分别加入尺寸为50 mm×30 mm×10 mm的磨具中，放入平板硫化机并保持3-5 MPa的压力，温度达到300 ℃后恒温1 h，冷却到室温。将制备得到的多孔材料清洗、烘干后进行相应的性能测试^[10-11]。

为了获得实验中所需要的多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料，在配制过程中必须满足以下条件。

1.5 主要观察指标

力学性能测试：在压缩实验中，将多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料加工成15 mm×10 mm×10 mm的样品，检测速度控制在5 mm/min，不同孔隙率的材料分别进行相应的力学性能测试。研究中的测试设备为Reger30-50型材料试验机(深圳瑞格尔仪器设备公司)^[12-13]。

红外光谱分析：将多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料及致密纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料碾成粉末，利用KBr压片法进行红外光谱分析，分析仪器为Nicolet170SX型傅里叶变换红外光谱仪(四川大学分析测试中心进行)^[14-15]。

X射线衍射分析：将多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料及纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料碾成粉末，采用Philips自动X射线衍射仪进行X射线衍射分析，在四川大学分析测试中心进行^[16-17]。

扫描电镜观察：多孔材料表面喷金后，采用扫面电镜进行观察，电镜型号为HitachiS-450型，设置电压为20 kV、电流为20 mA^[18]。

孔隙率检测：利用游标卡尺测量多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料及纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料的孔径，采用分析天平精确的称量其质量，从而能够得到材料的密度。通过以下公式能够获得材料的总体孔隙率^[19-20]。

采用超声清洗多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料3次，利用无水乙醇清洗2次，将其放置在温度为80 ℃的真空箱中至恒质量，准确称量样品的初始质量，记为m₀。将样品放置在无水乙醇中进行15 min超声，取出，去除材料表面的无水乙醇，称质量，直到复合材料的质量不再增加，记录质量为m₁^[21-22]。

式中，Dm代表无水乙醇的密度，该参数值为0.789 g/mL；V表示实际测得的样品体积。

1.6 统计学分析对研究所得数据利用SPSS 18.0软件进行处理，其中符合正态分布的数据进行单因素方差分析，存在统计学意义予以LSD法两两比较。检测P 值，如果经检测P < 0.05，则提示经比较两组数据间差异有显著性意义。

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讨论

近年来，随着人们生活节奏的加快，创伤、感染、肿瘤或其他因素等原因常造成人体硬组织发生缺损^[23-24]。目前，临床上对于骨缺损的修复主要来源于3种，自体骨(它是骨缺损修复最好的材料)、同种异体骨或异种骨(在某些情况下优越自体组织)、各种生物材料(材料来源丰富、成本低)。常规的修复材料虽然能够改善患者症状，但长期疗效欠佳，患者修复后并发症发生率较高，影响患者预后^[25-26]。

近年来，多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料在临床上广为使用，并且能够获得更好的修复效果^[27]。本实验中，多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料孔呈近似管状通道，孔贯通性相对较好，分布也比较均匀，多孔材料的三维多孔网状结合具有以下特征：①易塑性。多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料结合了两种材料的优势，易塑性强，并且材料的质量相对较轻。②多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料能够为机体新生骨组织的生长提供足够的通道和场所^[28]。③大的表面积及孔结构的增大能够扩大材料与受植区域血管的接触，更加有利于加快接触面之间的结合反应，能够为携载骨诱导物质，如骨形态发生蛋白及骨髓组织等提供足够的空间区域。④组织多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料空隙中生长后，能够有效提高复合材料的结合强度^[29-30]。⑤大的表面积更加有利于细胞的黏附、生长及分裂等，更加有利于营养物质的传输和代谢废物的排除，促进骨修复组织在较短的时间内得到愈合，有效的提高愈合率。基于上述优点，由于空隙的存在降低了材料的初始强度，但这并不影响多孔修复材料在临床骨修复中的应用^[31-32]。多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料的孔隙率在35%-57%之间。由此看出，发泡剂的使用量、单模材料的使用量及复合材料的密度均能够影响总孔隙率。

理想的骨修复材料应该具有以下特征^{[^33-34^]：必须具备良好的生物相容性，并且材料还必须具备良好的生物力学相容性；必须能够进行有效的骨传导性及骨诱导性，并且复合材料的使用必须具有良好的组织界面；对组织损伤小，不破坏修复区域的血供，并且修复过程操作比较简单，修复后并发症发生率低，经济、实惠，更加容易被患者接受^[35]；在修复过程中必须具备良好的生物降解特性。修复材料支撑后具备降解性能，并且降解速率必须和组织的生长率相适应，通过人为干预能够改变降解时间和降解速度^[36-37]。本实验中，多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料具有良好的力学性能，抗压强度显著高于机体松质骨(2-12 MPa)。由此看出，多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料具有三维多孔结构，孔隙率高，具有较高的内比表面积，更加有利于细胞的黏附生长，更加有利于骨缺损部位的修复^[38-39]。本实验中，复合材料中加入发泡剂后，多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料各个特征的位置及形状并没有发生明显变化，材料组成未发生明显变化，同时发泡前后衍射峰未发生变化，材料以纳米尺度存在^[40]。}

综上所述，多孔纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨修复材料具有良好的相容性，能够形成良好的骨组织界面，可塑性好，具有三维多孔结构，适合运用于临床骨缺损修复。但本实验受到研究时间及样本容量等因素的限制，还存在一些缺陷和不足，还需要在今后的研究中予以不断完善。

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