重慶大學
碩士學位論文
缺鈣納米羥基磷灰石/膠原復合支架材料的制備
姓名：帥麗
申請學位級別：碩士
專業：藥物化學
指導教師：季金茍
2010-04
摘要
骨組織修復材料長期以來都是生物醫學材料領域的熱門課題。近二十年來，由于組織工程支架材料的很多優點使得其已逐漸成為骨修復材料研究發展的方向。支架材料的發展經歷了由單一的生物高分子材料、無機生物陶瓷材料等向復合多孔支架材料發展的道路。
羥基磷灰石（HA）與有機聚合物復合的材料是當前硬組織修復材料研究中的熱點之一。HA是人骨無機結構的主要成分，具有較好的生物相容性和生物活性，能與骨組織中的其他成分形成牢固的鍵合，因此HA一直是骨修復和替代材料研究的主要課題。但由于其脆性大，韌性差，在生理條件下缺乏抗疲勞性，因此限制了它的臨床應用范圍。如果將HA與一些彈性和韌性較好，且成分與人骨接近的生物大分子復合，就可以將二者的優勢充分結合起來，有望得到強度高、柔韌好、可塑性強、力學性能好且具有良好生物相容性和生物活性的新一代骨修復材料。基于以上原因，本課題所采用的生物大分子為膠原，將膠原蛋白與HA進行復合，從而最大限度地發揮其各自的特點，擴大其臨床應用范圍。
本文以草魚魚鱗為原料，采用胃蛋白酶從魚鱗中提取膠原蛋白，通過單因素實驗考察不同前處理、提取介質以及不同的提取方式對膠原蛋白提取效率的影響，研究結果表明：魚鱗膠原蛋白的最佳提取工藝為采用微波輔助去雜，以0.1mol/LHCl浸泡除鈣，再以1%的檸檬酸（含1%胃蛋白酶）作為提取介質，并用超聲輔助提取的方法得到的I型膠原蛋白。把純化后的魚鱗膠原蛋白用以紅外光譜分析，確定所提取魚鱗膠原蛋白的特征基團。
本文以Ca(NO3)2·4H2O、(NH4)2HPO4和NH4HCO3為原料，采用化學沉淀法輔以微波輻射制備了含碳酸根的納米缺羥基磷灰石（d-CHA）、磷酸三鈣（TCP）、不含碳酸根的納米缺鈣羥基磷灰石（d-HA）、以及HA，通過共混法和共沉淀的方法制得不同類型的磷酸鈣/膠原復合支架，并將其通過在模擬體液中的浸泡來考察其生物活性。然后采取XRD、IR、SEM等現代化分析手段，以及化學物理分析
方法，對復合材料的成分、微觀結構、孔隙率等性質進行了分析和表征。研究結果表明：采用化學沉淀法輔以微波輻射所制備的d-CHA是制備復合支架的理想材料。含碳酸根納米羥基磷灰石/膠原復合材料從自身結構成分分析更接近人體自然骨的成分，而且其孔隙率可達65%以上，能滿足骨細胞生長的要求。該復合材料材料
能夠達到一定的抗壓強度，能滿足骨缺損填充材料的要求，同時強度也可以通過控制支架形成的孔隙率來調整其強度以滿足不同的需要。所以含碳酸根納米缺鈣羥基磷灰石/膠原復合支架可望成為具有良好生物相容性、力學性能及生物降解性，能符合骨細胞生長的復合生物材料。
關鍵詞：d-CHA，膠原蛋白，多孔復合材料，模擬體液，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
重慶大學碩士學位論文 1
緒論
1 緒論
1.1 引言
生物醫用材料（Biomedical Materials）是一種通過與生物體內各系統相互發生
作用以達到診斷、修復或替換生物體中的組織、器官為目的的材料。由于它是與
體內各組織發生作用，所以難免對人體組織、血液等會產生一定的影響，因此它
的各項性能指標與人類生命和健康密切相關[1]。
幾十年來，經過各國學者不斷地研究和開發使得生物醫用材料的研究和應用
獲得了前所未有的成就，解決了大量的關于這方面的疑難雜癥，從很大程度上提
高了人類的生命質量。隨著現代科學技術的發展和社會老齡化的出現，以及各種
原因所導致的不同程度的創傷增加，人們對生物醫用材料及制品的需求越來越大。
在臨床上骨缺損主要由于創傷、腫瘤、感染所造成的，針對這種情況，目前的
很多療法都有各自的局限性，尤其對于大范圍骨缺損的治療仍沒有得到解決。目
前的治療主要有以下幾點局限性：(1)自體骨移植受自身供體有限性的限制，(2)異
體骨存在抗原性問題，(3)以金屬、陶瓷或高分子材料制造的人工骨替代材料多數
是作為永久植體，因此它們不能參與人體的新陳代謝，長期使用會引起一些副作
用，效果不佳。所以人工合成的具有良好生物活性并且與自然骨成分相似的骨修
復材料應運而生，這種材料可提供有助于成骨細胞的粘附、增殖及功能的發揮并
且與天然骨相類似的微環境，它不僅可以直接作為骨缺損修復材料，也是很好的
骨組織工程載體材料，為骨組織工程的發展開拓了廣闊的前景。
納米羥基磷灰石復合生物材料主要是指在納米羥基磷灰石中復合一種或者多
種材料，從而獲得有利的組織學反應、滿意的強度和剛性，使得組織再生合成的
支架材料。這種支架材料中納米級羥基磷灰石以填充于有機基質，而有機基質為
羥基磷灰石提供其所需的一定形狀。納米羥基磷灰石復合材料充分發揮了其的生
物相容性，也充分發揮了有機聚合物優越的可塑性以及生物降解性。
1.2 國內外研究現狀
1.2.1 骨組織修復材料的研究現狀
骨骼是人體所占比例最大的器官，對其他器官起到了保護支持作用。它的主
要成分是鈣元素且為鈣元素的存儲部位，還是重要造血器官，并承載著人體的絕
大部分重量。加強對骨組織的結構的認識和了解對骨組織替代材料的微觀結構設
計有著深遠的影響。首先我們可以對骨組織的基本組成成分進行了解：它的成分
（非細胞結構）主要包含了：有機成分中的膠原蛋白，蛋白質、糖類、脂類等；
以及無機成分，主要是以磷酸鈣及其磷酸鹽類的形式存在，還有部分水。其中，
