TCP聚合物复合材料研究进展.docx

TCP聚合物复合材料研究进展.docx

《TCP聚合物复合材料研究进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《TCP聚合物复合材料研究进展.docx（9页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

TCP聚合物复合材料研究进展

TCP—聚合物复合材料研究进展

摘要:

TCP—聚合物复合材料作为生物材料使用的是β相,近代生物医学工程学学科领域一直受到人们的密切关注。

综述了β-TCP复合材料的制备、性能以及应用。

关键词:

β-TCP;制备;性能;应用。

Abstract:

βphaseareusedbyTCP—compositematerialsasbiologicalmaterial,modernbiomedicalengineeringdisciplinehasbeenpayingcloseattentiontothepeople.β—TCPcompositematerial’spreparation、performanceandapplicationarereviewed.

keyword:

β-TCP;preparation;performance;application.

一、前言

近些年来,随着生物陶瓷材料的迅速发展,已成为高新技术产业的新生长点,所以有关β-TCP复合生物陶瓷的研究就显得非常活跃。

β-TCP是生物降解和生物吸收型活性材料,其降解产物Ca2+、PO45-等离子可进入活体体液形成新骨,成为理想的硬组织修复材料。

其中这部分材料所需的一个性能就是可降解,可降解吸收陶瓷是生物陶瓷中的一类,属于一种暂时性的替代材料,可在生理环境中被逐步降解和吸收,并为新生组织替代,从而达到修复或替换被损坏组织的目的。

最早被应用的生物降解陶瓷为石膏,它具有良好的生物相容性,但是被吸收速率快,与新生骨生长速率不能匹配。

β-TCP具有良好的生物降解性、生物相容性和生物无毒性,当其植入人体后,降解下来的Ca、P离子能进入活体循环系统形成新生骨,因此它作为理想的骨替代材料已成为世界各国学者研究的重点之一。

二、β-TCP复合材料的制备

1、β-TCP粉末的制备

1湿法工艺制备

湿法工艺包括可溶性钙盐和磷酸盐反应工艺[21以及酸碱中和反应工艺口],可溶性钙盐和磷酸盐反应工艺一般以Ca（NO32和（NH42HPO4为原料,搅拌条件下将磷酸氢铵溶液按一定的速度滴加到硝酸钙溶液中,加入氨水调节溶液的pH值,经陈化、过滤、洗涤干燥、煅烧成β-TCP陶瓷粉末。

中和反应工艺以Ca（OH2和H3PO4为原料,将磷酸滴加到Ca（OH2的悬浮液中,静置、沉淀后进行过滤,此工艺反应唯一副产品是水,故沉淀勿需洗涤,干燥后煅烧即得β-TCP粉末。

湿法工艺的生产装置简单而且容易操作,制备的前驱体粉末颗粒细小均匀、纯度高,但要求反应物的浓度不应太大,滴加速度也不能太快,生成的沉淀即使长时间的陈化（>24h,固液分离仍然困难,不适用于大规模的生产,因此目前提出了一些改进的方法,如

何毅,王士斌等人改变了加料的方式,克服了传统方法抽滤困难的问题。

2干法工艺制备

干法工艺是用磷酸氢钙和碳酸钙在高温下反应生成β-TCP。

张士华等采用此法制备了颗粒细小的β—TCP粉末,于法工艺反应机理比湿法复杂,制备的TCP粉末晶体结构无晶格收缩,结晶性好,但晶粒尺寸较大,组成不均匀,有杂相存在,研磨时不仅费时,且易受到污染,因此较少采用。

3水热法工艺制备

水热法工艺应用较少,它是在水热条件下,控制一定温度和压力,以CaHPO2或CaHPO42H2O为原料合成得到晶格完整,晶粒直径更大的TCP粉末,水热法对设备的耐腐蚀性要求较高,废液需要处理,反应条件对产物的生成和性质有较大的影响。

4醇化合物法工艺制备

醇化合物法是采用较稳定物钙乙二醇化合物和具有一定活性,由P205与n-丁醇反应生成的PO（OHx（OR3、产物为先驱体。

引入醋酸可以有效控制先驱体闻反应,避免两先驱体直接混合时产生沉淀。

当醋酸与钙的摩尔比为4,两先驱体以n（Ca:

n（P=1.5混合,可获得稳定混合溶液,将混合溶液溶剂蒸发后得到的千胶状粉末在1000℃煅烧,可获得纯β-TCP。

该法制得的产物纯度高、颗粒超细、均匀性好、颗粒形状及尺寸可控;但是其原料价格高、有机溶剂毒性及高温热处理时颗粒容易快速团聚,制约了这种方法的运用。

5微波烧结法工艺制备

β-TCP的制备方法可采用可溶性钙盐Ca（NO324H2O和磷酸盐（NH42HPO4反应,按Ca/P=1.50的比例在搅拌条件下使其充分混合,加入氨水调节pH值,经洗涤、抽滤、烘干,于硅钼棒电阻炉中1250℃下煅烧,保温2h,过250目筛,得β-TCP超细粉末。

2、多孔β-TCP生物陶瓷的制备

β-TCP成分与骨组织相似,具有良好的生物相容性、容易生物降解吸收、具有骨传导性以及无毒副作用,被视为优良的骨替代材料。

致密型β—TCP生物陶瓷力学性能较好,但不利于材料在体内降解,因而实际应用不多。

而多孔的β-TCP生物陶瓷其巨大的比表面积可以促使材料在体内降解,这主要是由骨组织的特点决定的,如果植入骨基质的替换物为单位提供支持框架,则骨单位可以此为依托生长,骨缺损可以重建和修复,如果为骨缺损提供的骨基质替换物在孔隙形貌和结构上与骨单位及脉管连接方式一致,则植入材料会促进骨组织的重建。

多孔型磷酸钙陶瓷的制备有发泡法和加致孔剂法两种。

采用发泡法容易制成一定形状、

组成、密度的多孔陶瓷,但也存在一定的缺点,首先采用该法制备的多孔生物陶瓷材料的工艺复杂,而且容易产生小孔径闭口气孔,其次整个制备工艺过程不能精确的量化控制,许多情况需要靠经验来调节,从而导致成品率不高。

加致孔剂法方便简单,可以制得形状复杂、气孔各异的多孔材料,并且多孔β-TCP生物陶瓷的孔径、孔隙率人为可控,但是气孔率不是很高,气孔的分布不均匀。

多孔β—TCP陶瓷是一种微孔/大孔结构,微孔结构对于材料的生物可吸收性具有重要作用,它有利于组织的渗入,能产生局部酸性环境,促进材料的降解;大孔结构则有利于发挥材料的骨传导性。

三、β-TCP复合材料的性能及相关实验

1、β-TCP复合材料性能

1力学性能

β-TCP的生物力学性能取决于孔隙,气孔分为微气孔（由于烧成过程中颗粒未充分靠拢造成的与粉末大小相仿的气孔和大气孔（几百微米的气孔,微气孔决定材料的降解速度,大气孔则可以使骨组织长入,多孔材料的总抗压强度是由总气孔率决定的。

2骨结合特性

不少研究者认为,供新骨组织长入的TCP孔径不可小于100um,但Eggli等在比较了两种不同孔径和孔间连通侧孔的TCP材料后,得出了不同的结论。

他发现小孔（50-100Um孔间连通丰富的TCP材料,在新骨生长深度上,优于（200-400Um而侧孔少的同种材料,因而他认为孔间丰富的连通通道可以促进血管和组织的长入,对新骨生长的深度更具有决定意义。

3生物降解性

β-TCP材料植入体内后可逐渐发生生物降解,其生物降解有助于植入部位的骨修复。

在人体的生理环境下,多孔的β-TCP会发生物理化学溶解,这取决于材料的溶解产物及周围环境的pH值,新的表面相可能形成非晶态磷酸钙等替换物,或在晶界等活性较高的区域发生变化而分解成较小的颗粒,此外一些生理因素的影响,如吞噬作用可以降低周围的pH值,也会使多孔的β-TCP发生降解。

Manjubala等认为破骨细胞在β-TCP双相陶瓷的吸收中起重要作用。

4生物相容性

β-TCP材料的体外实验显示该材料具有良好的细胞相容性,动物或人体细胞可以在β-TCP材料上正常生长、分化及繁殖,众多的动物体内实验和临床应用也表明:

该材料无毒性,无局部刺激性,不致溶血或凝血,不致突变或癌变。

Klein等将4种不同孔隙率和孔径的β-TCP

材料植入兔胜骨内,发现上述几种β-TCP材料均表现出良好的生物相容性,而且无炎性细胞浸润等炎症反应,并且新骨可以直接在材料表面形成。

2、β-TCP复合材料性能相关实验

1β-TCP复合材料的降解性能测试实验

a、实验方法:

材料住动物体内植入方式:

取大鼠33只,雌雄均有,重200—250g,用1%戊巴妥钠腹腔内麻醉后,膝部剃毛消毒,作膝内侧纵埘口,显露双侧股骨于骺端。

用直径2.5mm钻头在双侧股骨髁间凹各钻一直径2.5mm、深3mm骨腔洞,用生理盐水清洗腔洞清除骨屑。

将多孔TCP陶瓷制成φ2×2mm大小的网柱形样品,高压消毒后植入两侧骨腔洞内,并使植入材料表面低于骨皮质表面,分层缝合切口。

植入后8、24周各处死4只动物,将植入材料连同周围骨组纵一起取出,取植入区中心横断面作为标本,用10%福尔马林固定,脱钙,再用石蜡包埋,切成6微米厚切片,HE染色,在光学显微镜下观察标本的组织学变化。

b、结论:

动物实验表明。

多孔β—TCP材料具有良好的生物相容性及生物降解特性,同时,由于其组织成份与人体骨组织中的无机矿物十分近似.故可成为目前医学上用于骨移植方面的最理想生物材料之一。

2β-TCP复合材料成型实验

a、实验方法:

选用中国科学院应用化学提供的PLGA,采用温州市化学用料厂生产的的TCP。

使用快速成型低温沉积工艺,质量比分别为9:

1.8:

2.7:

3的TCP用溶剂配成浆料,在快速成型低温沉积设备上进行成型,制成35X25X12mm的立方体,网格孔径为1.3mm。

成型结束后将成型件用冻干机进行冻干。

b、结论:

在快速成形低温沉积过程中,质量比为的9:

1的TCP复合材料出丝粗细均匀,连续稳定,可以适应的扫描速度范围较宽,工艺参数易丁调节控制。

质量比为8:

2的材料出丝较均匀,基本能够保持其形貌,但不是很稳定,易断裂,且由于缺陷累积易导致破坏,成形件不能做得很高工艺参数不易调节质量比为的材料出丝不均,出丝极易断裂甚至不出丝,在形体搭建过程中新出丝线容易和周围已成形部分随机粘接,形成局部材料堆积,工艺参数较难控制。

3β-TCP复合材料细胞毒性实验

a、实验方法:

选用细胞系L-929在MEM&10%小牛血清培养基上,制成3种TCP不同配比材料的立方切成1-2mm的薄片,清洗,浸泡于无血清MEM中37°C水浴72h（0.2g/ml。

b、结论:

由此可知,TCP的质量配比分别为9:

1和8:

2的两种材料的细胞毒性性能不合格,而7:

3的材料刚刚合格。

随着TCP复合材料中的TCP含量增加,材料的细胞毒性下降。

四、β-TCP复合材料的应用

1、β-TCP复合材料在骨架材料中的应用

1β-TCP复合骨架材料

骨形态发生蛋白（BMPS是一种存在于人和动物骨基质中的非胶原蛋白,能够刺激骨髓基质干细胞（MSCS向成软骨和成骨方向分化,其骨诱导活性具有非种属特异性,能跨种诱导成骨。

具有生物活性和骨传导作用的β-TCP与BMP复合能更好地发挥陶瓷和BMP之间的协同作用。

β-TCP为细胞生长和分化提供基质,同时其骨传导性可刺激骨形成。

2β-TCP骨髓复合骨架材料

骨髓具有成骨的特性,当骨髓被种植到骨缺损部位后可诱导新骨形成,从而修复骨缺损。

实验研究己证明在人和动物健康红骨髓的基质细胞中含有定向性前成骨细胞（DOPC,DOPC具有定向地分化为骨组织的能力。

何悦等将犬骨髓和支架材料β-TCP复合物植入裸鼠体内,观察到成骨作用明显,这表明自体犬骨髓/β-TCP陶瓷复合人工骨具有良好的成骨作用。

天然BMP在骨内含量少,分离提纯困难,从而限制了多孔β-TCP/BMP人工骨的研制和应用。

3β-TCP聚合物复合骨架材料

聚合物类材料主要指可生物降解的G-聚酯类材料,如聚L-乳酸（PLLA、聚乙醇酸（PGA及其共聚物。

将其与β-TCP复合,可以弥补各单一材料的缺点,产生单一材料所不具有的优良性能。

陈锐等采用浇铸-模压成型-沥滤法研制了不同孔隙率、孔径的PLLA/β-TCP多孔复合材料,改善材料的力学性能。

Bennett利用β-TCP增强二氧杂环己烷和乙交酯的共聚物,得到一种可注射、模塑性好的灰泥。

聚富马酸丙烯酯（PPF可生物降解,并在常温下能任意塑型,将其与β-TCP复合增强其机械性能,作为一种可注射式填充材料,能很好地用于不规则骨缺损部位的修复,还可作为药物载体。

4β-TCP胶原蛋白复合骨架材料

胶原蛋白是一种适合制造生物材料的具有理想分子的物质,主要是因为胶原是骨的主要成分,I型胶原及其交联纤维结构是骨细胞外基质中最丰富的蛋白。

胶原的结构对矿物沉积具有诱导作用,它的表面含有沉积矿物的位点,可有效地引发和控制矿化过程、促进骨形成并诱发到植入物中。

凌翔等将胶原（CO与纳米磷酸三钙（N-TCP复合制成复合材料并植入兔颅骨,观察到CO/N-TCP复合材料具有引导成骨能力,并且复合材料在骨表面引导成骨能力优于HA。

5β-TCP羟基磷灰石（HA复合骨架材料

将可吸收β-TCP与羟基磷灰石烧结在一起,由于β-TCP在体内的降解速度较快,它会

快速溶解在多孔的HA的结构中形成局部高浓度的磷酸钙区，剩余的多孔羟基磷灰石结构可以促进组织长入和新骨形成，并为完全的愈合提供长期的支架。

2、β-TCP复合材料在骨科中的应用β-TCP材料的在口腔颔面外科、眼科、耳鼻喉科等均有广泛应用，临床上用于齿周骨性缺损的修补、颔面重建、根管充填以及药物的缓释载体等。

目前，由于更多的其他材料及因子得到认识和开发，β-TCP的应用形式也日趋丰富多样，比较常见的是以下几种方式：

β-TCP人工骨，β-TCP复合人工骨以及β-TCP药物载体。

β-TCP植入骨组织后，在其界面形成一种钙磷的固-液平衡。

维持这种平衡的离子来自周围的骨组织和植入材料。

这些钙磷离子“媒介”最终以生物性磷灰石的形式形成钙磷固体沉积在界面，形成β-TCP与骨的直接结合或骨性结合。

Rawling等认为两者的结合是一种化学性磷灰石和生物性磷灰石的合并。

β-TCP与其他材料复合，能优化β-TCP人工骨的性能，如多孔β-TCP与BMP及红骨髓等活性成分复合，或者在此基础上再添加其他活性成分，形成兼具骨传导和骨诱导双重特性的复合材料，可以显著提高材料的成骨能力。

也有将TCP和其他类型材料结合，如Kawamura等利用微量金属元素Zn对成骨细胞的增殖效应，用适量的Zn对TCP进行表面涂层处理，使材料的成骨性能得到明显提高；Beroto等则将水分散相的TCP加入到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA中，所制成的多孔人工骨材料力学性能与人体骨相当；还有研究者将TCP陶瓷颗粒和经交联处理后的明胶制成复合材料，体外细胞培养实验表明该材料具有良好的生物相容性，能促进成骨细胞生长。

以β-TCP为基体的药物载体连同药植入体内患处，体液由微孔渗入载体，使药物溶解，形成药液，并在病区局部持续缓慢释药，从而达到杀灭病灶区细茵，提高疗效的目的，并减少副作用，还可用于骨癌及其他骨病的治疗。

Mitenmuller等利用带微孔的陶瓷颗粒作为抗结核药及抗茵素的载体，填塞至骨髓炎患部约10周后，缺损骨基本修复，陶瓷粒几乎全部被组织吸收。

β-TCP为基体的药物载体主要具有使用方便、局部释药浓度可控、减少对正常细胞的损伤以及材料可被吸收等优点。

总之，随着其他材料研究的不断进展，TCP人工骨的应用前景也将日益广阔。

3、β-TCP复合材料作为细胞载体的应用骨缺损的理想治疗不但要恢复骨骼的连续性，而且要缩短康复的时间，使骨骼早期获得机械应力刺激，避免长期不负重或外固定导致废用性骨萎缩。

近年来随着细胞生物学和材料科学的发展，已应用培养的成骨细胞和合成的材料复合治疗骨缺损，并取得了满意的临床效6

果，从而使组织工程骨的出现成为可能。

陶瓷材料在重建骨科中的主要作用是骨传导支架，目前在骨修复和再生研究最广泛的陶瓷材料是羟基磷灰石、-TCP以及二者的混合物。

β这些材料很少在临近的组织内引起免疫反应。

β-TCP快速吸收，块状β-TCP的孔隙率较低且孔隙间的连接不完全，β-TCP材料在重吸收前不可能达到有效的骨长入，这使得TCP在临床应用受到限制。

高度结晶羟基磷灰石是稳定的，在体内的吸收率只有每年5％～15％。

珊瑚羟基磷灰石是多孔、高结晶HA在目前应用的典范。

为解决羟基磷灰石缓慢吸收的缺点，采用双相磷酸陶瓷，由羟基磷灰石和β-TCP构成。

当材料移植人体内后，植入体内后，β-TCP快速吸收，余下的羟基磷灰石支架材料允许骨沉积，形成稳定和持久的支架。

安洪等引采用多孔双向羟基磷灰石（由羟基磷灰石和少量β-TCP制成的一种人工骨材料治疗49例骨缺损患者，经过2.5年随访，均取得良好的效果。

五、结语骨骼是人体的支架，担负着支持、保护、承重、造血、贮钙和代谢等功能，是人体重要的组织器官。

尽管骨具有一定的再生和自我修复能力，但临床上由于肿瘤、外伤、感染和先天性发育不良等造成的大面积骨缺损，以及由于人均寿命增加导致的骨质疏松，超过了骨组织的自我修复能力，需要采用外科手术进行骨移植治疗。

β-TCP作为人体硬组织替换材料是生物材料发展的一大热点，随着全球老龄化的发展，B-TCP生物活性材料具有广阔的研究价值和市场前景。

β-TCP在应用上取得了一定的成果，但是其疲劳强度低、脆性大、抗折及抗仲击性能远不能满足高负荷人工骨要求；此外，修复材料的降解率与成骨速率不协调，要克服这些缺点，今后的研究重点应放在将不同类生物材料复合，并且采用特定的加工技术，研制出力学性能、化学性质、物理结构等方面类似于人体骨组织性质的生物材料。

随着生物医学的进一步发展，各种制备技术的不断完善，β-TCP必将更多地应用于临床，更好地为人类造福。

此外，随着生物医用材料的发展，β-TCP对探索新型降解陶瓷也具有重大意义。

通过这段时间对生物陶瓷材料的查阅与了解，认识到我国在这方面的研究还落后与西方某些发达国家。

生物陶瓷材料作文一种生物医用材料具有广阔的应用前景，相信通过科学家的努力，我国在生物陶瓷研究方面会有一个很大的飞跃。

六、参考文献[1]龚立，陈际达，揭芳芳.β-TCP的研究进展及其在骨科中的应用[J].河北化工，2006，9：

54-57[2]周杰，高金睿，王志强，佟蕊.微波烧结法制备TCP/TTCP复合生物陶瓷材料的研究[J].硅酸7

盐通报，2009，6：

495-499[3]刘佳祺，亓发芝.Beta一磷酸三钙复合材料支架的研究进展[J].中国美容医学，2011，4:

688-691[4]樊冬辉，徐政，李世普，闫玉华，陈晓明.多孔B—TCP材料的生物降解性能及相关机理研究[J].中国康复医学杂志，2003，3：

166-167[5]费小琛，颜永年，熊卓，孙磊，陈磊，陶剑锋。

骨组织工程PLGA／TCP复合材料的性能研究[J].材料导报，2003，12：

76-79[6]胡卫岚，陈晓明，李湘南.骨组织工程材料-磷酸三钙及其复合材料改性的研究进展[J].生物骨科材料与临床研究,2008，8：

43-46[7]毛新展,周江南,胡建中,倪江东,王万春.羟基磷灰石/磷酸三钙复合材料作为细胞载体的实验研究[J].中国临床康复，2004,9（15：

5524-5525[8]刘维,詹红兵.有机-无机复合骨修复材料[J].化学进展，2011,6:

1251-1258[9]张士华,熊党生.B-磷酸三钙多孔生物陶瓷的制备与表征[J].南京理工大学学报,2005,29（2:

231-235.[10]何毅,刘孝波,杨德娟.纳米级β-磷酸钙的合成[J].合成化学,2000,8（2:

96-99[11]蔡杰,郭景坤.陶瓷材料微波烧结研究[J].无机材料学报,1995,10（2:

164-168[12]金芳纯，郝永强，卢建熙.β-磷酸三钙生物陶瓷的骨科应用研究进展[J].中华创伤骨科杂志,2009,11（10[13]牟善松,毛萱,石海涛,汤顺清.骨组织工程支架-多孔β-磷酸三钙陶瓷的制备与性能[J].材料科学与工程学报,2003,21（48