骨組織修復(fù)材料仿生合成

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1、骨組織修復(fù)材料的仿生合成侯京朋長期以來,缺損骨骼的再生修復(fù)一直是骨研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容。近20年來,骨的仿生制備已成為缺損骨骼修復(fù)研究的重要內(nèi)容。幾乎所有優(yōu)異的生物礦化材料都采取有機(jī)分子調(diào)控?zé)o機(jī)相生長的策略,因此,從生物分子調(diào)控水平上去理解骨的形成和礦化過程,并在此基礎(chǔ)上研究骨生物材料的合成是突破這一領(lǐng)域的關(guān)鍵。1　分子仿生的原理受天然生物體結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā),采用仿生的思想進(jìn)行生物材料的合成設(shè)計已有悠久歷史。傳統(tǒng)的仿生學(xué)設(shè)計,常采用材料合成的方法去模擬生物體系。但是,天然礦化組織都是由生物大分子(脂類

2、、蛋白、多聚糖)和無機(jī)礦物組成的復(fù)合材料,從宏觀到微觀、從分子到納米都是自組裝的有序等級結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)主要是利用有機(jī)大分子(蛋白質(zhì)、多糖、脂類等)自組裝,無機(jī)晶體核化、定向、生長和空間形態(tài)等方面的調(diào)控作用使其在納米水平上表現(xiàn)出非凡的有序性,這些都是傳統(tǒng)的材料合成方法所無法實現(xiàn)的。隨著分子生物學(xué)、分子物理、化學(xué)和納米技術(shù)的發(fā)展,依據(jù)生物礦化過程的“有機(jī)基質(zhì)調(diào)控”理論,生物大分子的自組裝和納米合成技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用,使仿生學(xué)進(jìn)入了分子水平,在此基礎(chǔ)上形成一門新的分支學(xué)科———仿生材料化學(xué)。2　骨組織修復(fù)材料

3、仿生合成的現(xiàn)狀2.1　自組裝表面活性劑微囊仿生合成無機(jī)骨修復(fù)材料　通過表面活性劑形成脂質(zhì)小泡,原位合成具有復(fù)雜微孔結(jié)構(gòu)和精確表面形態(tài)的仿生無機(jī)材料。Walsh等首次使用微乳方法合成了高度有序的無機(jī)仿生骨材料。劉景洲以天然來源的卵磷脂為雙親分子,正十四烷油相和水相形成的微乳膠為磷酸鈣礦化的“模板”,調(diào)控、誘導(dǎo)礦化。獲得由卵磷脂與羥基磷灰石(HA)共同構(gòu)建的具有納米結(jié)構(gòu)的立體網(wǎng)狀、空心棒狀、空心球狀產(chǎn)物,制備了具有納米微觀結(jié)構(gòu)的生物活性替代材料。這些方法主要應(yīng)用于合成無機(jī)生物材料,而且必須去除表面活性劑

4、。2.2　鈦材表面的仿生涂層　鈦及其合金與其他金屬材料相比具有優(yōu)良的機(jī)械性能,具有較理想的生物學(xué)活性,因而廣泛應(yīng)用于修復(fù)人體硬組織缺損的負(fù)荷區(qū)。但是其本身缺乏與骨組織的鍵合作用,所以基本屬于惰性材料范疇。通過表面改性技術(shù)提高其生物相容性,促進(jìn)骨性結(jié)合的形成是目前鈦種植材料研究的重點。鈦材表面的超薄仿生HA涂層是研究的熱點。其步驟首先是基材的活化,再在鈣磷過飽和液中進(jìn)行礦化。一般情況下,鈦表面的二氧化鈦是致密的鈍化層,引導(dǎo)磷酸鹽沉積的能力極差,甚至不能誘導(dǎo)。通過適當(dāng)?shù)奶幚?酸、堿、酸堿結(jié)合、雙氧水等強(qiáng)

5、氧化劑、溶膠-凝膠、輝光放電處理等),制備表面活性的二氧化鈦及其溶膠,發(fā)揮表面鈦羥基(Ti-OH)的功能,誘導(dǎo)磷灰石的形成。另外可在鈦材表面自組裝SAM或LB超薄膜,誘導(dǎo)成核；或者接枝生物大分子誘導(dǎo)成核。2.3　HA-膠原復(fù)合材料的仿生合成磷灰石-膠原(HA-膠原)復(fù)合材料是目前仿生合成中最成功的一類。膠原是骨組織的主要有機(jī)物,國內(nèi)外許多學(xué)者以膠原為模板仿生合成了HA-膠原有序鍵合的納米復(fù)合材料,模擬了骨組織最低等級的復(fù)合結(jié)構(gòu)———納米磷灰石晶體的c-軸與膠原纖維(或自組裝多肽)的長軸平行取向排列。

6、常用方法如下:①將含有鈣、磷離子的溶液滴加到膠原溶液中,實現(xiàn)HA形成及其與膠原纖維的組裝一步完成。其設(shè)計合成的思路是按照預(yù)計的膠原纖維和HA的重量比例,分別配制膠原纖維溶液和一定濃度的鈣磷溶液(鈣、磷的摩爾比為1.67)。合成時,將鈣磷溶液逐漸滴加到含有膠原的溶液中,或先將一種離子(如磷溶液)與膠原溶液混合,然后再逐漸加入另一種離子的溶液(如鈣溶液)。其特點是有機(jī)基質(zhì)與鈣磷溶液反應(yīng),把有機(jī)分子的自組裝和有機(jī)大分子模板對HA晶體的組裝同步完成,即共同組裝。其優(yōu)點是容易大規(guī)模生產(chǎn),重復(fù)性好,無機(jī)物的含量

7、也能精確控制。國內(nèi)外對此方法有大量報道,但多數(shù)結(jié)果顯示HA晶體無明顯的取向。②膠原纖維膜或膠原纖維海綿在鈣磷過飽和液中或分別在CaCl2和Na2HPO4溶液中交替浸泡礦化。Du等將膠原海綿浸入0.56mol/LNa2HPO4(pH=14)溶液,然后再浸入1.12mol/LCaCl2溶液,獲得的HA-膠原復(fù)合物中無機(jī)礦物可達(dá)總量的60%～70%,其拉伸程度在骨的拉伸范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為0.56mol/LNa2HPO4是亞穩(wěn)定體系,合成的Na2HPO4、Na3P3O10·6H2O晶體可有控地釋放磷酸根,

8、控制HA的生成。③通過溫度敏感性載鈣、磷脂質(zhì)體和溫度激發(fā)的膠原自組裝仿生合成HA-膠原纖維復(fù)合物。Pederson等模擬骨組織礦化過程中的基質(zhì)小泡形式,應(yīng)用交錯熔融法,合成載鈣、磷脂質(zhì)體,通過調(diào)節(jié)磷脂的組成,控制磷脂的相變溫度,使之在37℃時的通透性增加,釋放鈣、磷離子,誘導(dǎo)礦化。另外膠原纖維在酸性的低溫條件下,保持單股的膠原纖維的形式,但是當(dāng)溫度和pH升高,就可以自組裝成網(wǎng)狀膠體(最低可在20℃,0.1g/L的條件實現(xiàn))。他們綜合上述脂質(zhì)體和膠原纖維的熱自組裝特性,