三维多孔复合人工骨的制备及性能检测.docx

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三维多孔复合人工骨的制备及性能检测

三维多孔复合人工骨的制备及性能检测

作者：

宋世锋，彭磊，王臻，常琪，孙铮，滕勇，李智，孟国林，崔玉明

【摘要】［目的］研制新型三维多孔复合人工骨材料并评价其相关性能。

［方式］将海洋贝壳牡蛎粉、消旋聚乳酸按必然比例复合，采用热致相分离法制备多孔复合人工骨（CAB）材料，检测其孔隙率、孔径、生物力学强度；并将CAB和纯PLLA薄片浸泡于37℃平衡液中，观测不同时刻点CAB和纯PLLA体外降解转变参数,对其结果进行统计学比较。

［结果］研制的CAB材料平均孔隙率为85.1％；电镜下孔径测量大小为100～300μm，孔隙之间的连通较好，孔隙形态、取向规则有序；紧缩强度为2.12MPa；在观测周期内，随着浸泡时刻的延长，CAB和纯PLLA的质量损失率、浸泡液pH值呈现出规律性转变，两组各时期的各项指标比较具有显著性不同（P﹤0.05）。

［结论］该法制得的CAB材料的孔隙率、孔径、生物力学强度、体外降解性能表明能知足骨替代材料的要求。

【关键词】骨替代材料;牡蛎粉;聚乳酸;人工骨;热致相分离法

Abstract：

［Objective］Toprepareanewporouscompositeartificialbonesubstituteandevaluateitsproperties.［Method］ThermallyinducedphaseseparationwasadoptedtopreparetheartificialbonemadefromoystershellpowderandPLLAwhichwereproportionallymixedanditspropertiesasporosityrate,poresizeandmechanicalstrengthweretherelatedvariationparameterswereexaminedevery2weeksinacourseof14weeksaftertheslicesofCABandpurePLLAwereimmersedinNSof37℃invitro，theresultsofwhichwerecomparedinstatistics.［Result］TheaverageporosityrateofartificalbonewithTIPSmethodwas%andporesizesranged100-300μmundertheSEM,withbetterporeconnectivityandregulationaveragecompressivestrengthwastheimmersionprolonged,theregularvariationwasobservedaboutthemasslossofCABandthepHalterationofsolution,therewasstatisticallydifferenceintheindexesbetweenthetwogroups（P﹤）.［Conclusion］Theporosityrate,poresize,mechanicalstrengthand　degradationperformanceinvitrooftheartificalbonemadebyTIPSmethodcansatisfytherequirementofbonesubstitute.

Keywords：

bonesubstitute;oystershellpower;polyLlacticacid;artificalbone;TIPS

骨缺损修复一直是困扰着矫形外科和骨科医生的一个难题，每一年都有大量的病人因各类原因致使骨缺损难以修复，人工骨移植材料在最近几十年得以迅速进展，但或多或少都存在价钱昂贵，来源紧张，其综合性能难以令人满意。

作者所采用的牡蛎壳粉为海南三亚海域近江贝壳粉末，其主要成份为文石型碳酸钙，是一种理想的生物源性成骨材料。

碳酸钙为主体的生物材料因其本身的Ca2+、CO2-3存在于正常人体液中，其具有更为良好的生物相容性，与人体骨成长进程的类似性，成为近几年来骨修复体研究的新热点。

有机高分子材料消旋聚乳酸（PLLA）具有降解快且完全、成型好等特点，与牡蛎壳粉复合，能够弥补其不易成型，缺乏有效的机械强度等缺点［1～3］，作者采用热致相分离法（TIPS）可制备出一种新型的骨替代材料并对其性能进行检测。

1材料与方式

1.1材料

消旋聚乳酸（PLLA），相对分子质量为80KD，为白色颗粒状；牡蛎壳取自海南无污染三亚海洋贝壳牡蛎粉；1,4－二氧六环（市售分析纯）。

1.2制备方式及检测

1.2.1热致相分离法制备将PLLA溶解于1，4-二氧六环中制成10％（w/v）的溶液，在磁力搅拌器中搅拌24h充分溶解成无色透明溶液；超声振荡，在溶液中以必然质量比加入牡蛎壳粉，振荡均匀、冰箱留宿；将匀浆材料负压冻干72h；材料冷冻干燥完毕后置入烘箱，室温下冷却；将所得材料按照需要切割成不同形状，环氧乙烷消毒，封存备用。

1.2.2CAB的性能检测

（1）扫描电镜观察：

用扫描电镜对材料的断面进行观察，每一个样品随机取3个视野X线片，逐个测量照片上孔隙的孔径，计算出样品的平均孔径；并对孔隙结构及孔隙间的交联进行观察。

（2）孔隙率的测定：

在25℃条件下测定，选用一个比重瓶，加满无水乙醇并称质量（w1）；把质量为（W0）的样品浸入乙醇中，抽真空，使样品中的气体完全被乙醇取代，待比重瓶补满乙醇后称质量（w2）；将渗透了乙醇的样品掏出，称剩余的乙醇与比重瓶的质量（w3）。

按公式ε=w2-w3-W0/（w1-w3）×100%计算，测得材料的孔隙率；

（3）生物力学强度的检测采用INSTRON1122全能材料实验机上用10kN的力进行测定，抗压强度为试样型变1mm时单位面积所经受的最大压力（MPa）。

1.2.3CAB的体外降解实验

将CAB材料和纯PLLA材料均匀切割成直径5mm，厚3mm的薄片，环氧已烷熏蒸消毒，称得质量为W0。

实验分2组：

CAB组和纯PLLA组，每组35个样品，在容积为50ml的无菌试管中加入10ml的平衡液中，CAB组和纯PLLA组别离加入CAB材料和纯PLLA材料各1片，密封管口后静置于37℃的恒温箱中，别离于二、4、六、八、10、1二、14周掏出材料，肉眼观察浸泡液的转变，并进行材料质量减少率的测定，降解液的pH值转变等测定。

1.2.4数据收集采用SPSS12.0统计软件分析，材料的各类性能参数直接通过样本值求算术均数，体外降解实验中的组间比较采用t查验。

2结果

采用TIPS法制备的CAB材料据固化模具的不同可加工成圆柱状、条状、块状等，材料外观呈白色，质地均匀、坚硬，表面粗糙，材料表面肉眼可见密布的、持续的微细孔隙。

2.1制得材料的主要性能结果

2.1.1扫描电镜观察结果见图1，能够观察到材料横断面彼此交连贯通的大孔结构，呈长条纵深状，孔隙形态、取向规则有序，孔隙大小为100～300μm，孔壁上可见大量孔径数微米的微孔。

图1多孔复合材料（CAB）的电镜观察2.1.2孔隙率的测定孔隙率的测定结果在83.2％～92.1％之间，平均孔隙率为85.1％。

2.1.3强度的测定紧缩强度的测量结果平均为2.12MPa，而纯PLLA的紧缩强度平均为0.82MPa。

2.2CAB材料和纯PLLA的体外降解实验

2.2.1在整个实验周期内，CAB组浸泡液随着时刻的延长略有混浊，出现少量的悬浮微粒，无明显的沉淀，纯PLLA组的浸泡液则大体维持澄清，浸泡14周后，材料仍维持原来的形状，材料无明显的开裂、崩解，但表面变的较为粗糙。

2.2.2图二、3别离为纯PLLA、CAB在体外降解中质量损失率和降解液的pH值随时刻的转变规律。

从图中能够看到，复合人工骨材料CAB在降解的各个时期质量损失率都要比同时期的纯PLLA低，两组各时期的两项指标比较均有显著性不同（P<0.05）,因此能够看出牡蛎粉对PLLA的降解有必然的抑制作用。

　　由图3能够看到，纯PLLA随降解时刻的延长其溶液pH值有逐渐下降趋势，而复合材料的浸泡液pH值在开始2周内有明显上升，而在此以后就逐渐出现下降趋势，到第12周后浸泡液的pH值大体达到平衡，复合支架所表现出的这种特性，对于消除PLLA降解产生的酸性物质所引发的无菌性炎症反映有专门大的意义。

3讨论

海洋生物外壳主要成份是文石型碳酸钙，并含有丰硕的氨基酸和微量金属元素。

虽然牡蛎壳和骨组织并非同源，但它们的形成机制却有类似的地方。

这将为我国沿海资源丰硕的牡蛎壳开发成为具有良好性能的骨修复材料提供了理论上的可能［1～6］。

牡蛎粉是天然的无机材料，聚乳酸是合成的有机材料，这两种材料不仅生物相容性良好，而且来源丰硕，具有较大的开发潜力。

通过特定的制备工艺将这两种材料组合在一路后，利用聚乳酸良好的机械强度和热塑性能，能够给予重组材料适宜的机械强度，并可按照需要任意塑形。

另一方面，牡蛎壳粉不仅能够改善聚乳酸亲水性不足的缺点，而且因其碳酸钙成份是一种弱碱性的物质，理论上能够中和聚乳酸的酸性降解产物，从而避免或减轻该产物积聚所致的无菌性炎症［7～9］，提高材料的安全性。

有研究者通过在聚乳酸中加入碱性材料的方式来减轻这种不良反映，取得了良好的效果［10～12］。

本实验明确了热致相分离法制备牡蛎壳/聚乳酸的三维多孔框架，孔隙率较高，孔隙直径界于100～300μm，形态自然圆润，取向规则，牡蛎壳粉在PLLA组成的孔壁中均匀散布，取得一个在整体形状和微观结构均比较满意的可植入的三维多孔支架。

骨替代材料的三维结构是决定材料与宿主骨结合速度和完成程度的主要因素之一。

具有适宜孔隙结构的材料有利于新生血管组织的长入，提高新骨生成的速度和数量。

作者制备的CAB材料的孔隙率达85%左右，为新骨组织的长入提供了足够的空间，同时，其紧缩强度虽不及人体平均松质骨强度，但结合目前手术中利用的内固定或外固定，其完全能够知足非承重部位骨缺损填充的要求。

由于材料种类和实验方式的不同，各研究者对于骨替代材料的适宜孔径的观点并非一致。

目前被大多数研究者同意的观点是：

除某些降解特别迅速的材料外，骨替代材料的孔径不宜<100μm，不然无益于骨组织的长入；另一方面，孔径>500μm则会影响材料强度和细胞的粘附，也无益于新骨组织的形成。

作者研制的CAB材料的平均孔径为100～300μm，孔径大小适中，而且材料内部孔隙散布均匀，孔隙之间彼此连通，孔隙形态、取向规则有序,有利于新生组织的长入。

CAB材料的体外降解实验中可发觉材料的质量损失率、PLLA分子量和降解液的pH值随时刻的延长呈现较为规律的转变。

由图二、3可见，复合人工骨材料在降解的各个时刻点质量损失率要低，由此可见牡蛎壳粉对PLLA的降解有必然的抑制作用。

探讨其原因可发觉PLLA的降解进程为酯链的无规则断裂水解进程，表现为分子量的迅速下降，而水解产生的链端羧基又会自动催化并加速其水解，牡蛎壳粉的成份为碳酸钙，偏碱性，能够中和PLLA降解所产生的酸性，降低PLLA的酸自动催化水解速度，因此出现牡蛎壳粉对PLLA的降解有必然的抑制作用。

由图3可见，纯PLLA随降解时刻的延长其溶液pH值有逐渐下降趋势，而复合材料的浸泡液pH值出现先上升后下降的趋势，到第12周后浸泡液的pH值大体达到平衡。

其原因主要可考虑为：

在刚开始阶段，主要由于牡蛎壳粉中碳酸钙的溶解，致使浸泡液pH值出现偏碱性，后浸泡液pH值出现缓慢下降；在8周左右出现明显下降，考虑为聚乳酸开始出现大量的降解，其降解产物乳酸和牡蛎壳中的碳酸钙发生反映，使浸泡液的碱性程度下降，两种因素彼此影响，最终达到一种动态平衡。

综上所述，CAB中的组成成份牡蛎壳，聚乳酸均具有良好的生物相容性，其性能互补，材料的孔径孔隙率，生物力学强度等性能大体能知足骨组织生长的要求，有望作为一种性能优良的人工骨材料应用于临床。

固然，该材料植入体内后的实际效果如何还有待动物实验和临床应用查验。

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