物理發泡法制備羥基磷灰石／膠原蛋白多孔支架材料

摘要本文以氫氧化鈣懸浮液和磷酸為主要實驗原料，在室溫25℃，pH值為11的條件下，用共滴定的方法合成羥基磷灰石。把羥基磷灰石粉與一定量的膠原蛋白溶液混合，經過物理發泡、冷凍、微波干燥的過程，得到羥基磷灰石/膠原蛋白多孔支架材料。運用XRD、SEM分析儀器和阿基米德原理及杠桿原理，對樣品進行了檢測。結果表明：用物理發泡法制得的多孔支架材料的總氣孔率為79%～89%，抗壓強度為0.3～1.1MPa。

關鍵詞羥基磷灰石，膠原蛋白，支架材料，物理發泡

1前言

羥基磷灰石（HAP）的化學組成與自然骨相類似[1]，具有良好的生物相容性、生物活性和骨傳導性，而且和人體骨組織具有極好的化學和生物親合性[2]。作為培養細胞的支架材料，HAP在細胞粘附、增殖和分化方面起著重要的作用[3]，但單獨使用時，可塑性差。膠原蛋白（Col）是脊柱動物的主要結構蛋白[4]，有良好的生物相容性、低免疫原性，具有促進細胞粘附、生長、繁殖的功能，因而作為一種臨床生物材料在生物醫學方面得到應用[4]，但單獨使用時吸收快，機械性能差，不能達到骨修復材料的要求。

本實驗以膠原蛋白和羥基磷灰石為主要原料，制成了羥基磷灰石和膠原蛋白復合多孔支架材料。利用膠原蛋白的粘結性，通過物理發泡，形成多孔的三維立體網狀結構，這將有利于成骨細胞在支架材料上的附著和繁殖。

2實驗

2.1 原 料

本實驗所用膠原蛋白由湖州珍露生物制品有限公司提供，Ca(OH)2(廣東汕頭市西隴化工廠生產)和H3PO4（廣東汕頭達濠區精細化學品有限公司生產）為分析純。

2.2實驗方法

HAP粉體的合成：取一定量的Ca(OH)2懸浮液和磷酸溶液，通過滴定裝置同時滴入放有50ml蒸餾水的三口燒瓶中，并用磁力攪拌器對液體進行強烈攪拌。控制溫度為25℃，pH值為11，反應完成后陳化6～7天，用蒸餾水洗滌至中性，放入干燥箱中烘干，研磨成HAP粉體。

多孔支架材料的制備：稱取一定量的HAP粉體與膠原蛋白溶液（HAP/Col=8/2）混合，物理發泡后呈泡沫狀，注入準備好的石膏模具中，放入冰箱中在-25℃下冰凍1h，迅速放入微波爐中干燥，干燥后的樣品，經簡單修飾即成所需樣品。

2.3 檢 測

用日本理學D/max2200型全自動X－射線衍射儀檢測HAP粉體的晶相結構和結晶程度，用飛利浦FEI公司制造的Quanta 200型掃描電鏡(SEM)觀察復合材料的孔結構，通過不同放大倍率的SEM照片，用數學統計法計算樣品的孔徑分布。用阿基米德原理測量樣品的氣孔率，并用杠桿原理測定樣品的抗壓強度（經標定，該強度數值誤差為7%）。

3實驗結果與討論

3.1 HAP粉體的晶相結構與結晶程度分析

圖1為實驗室制得的HAP粉體的XRD圖譜，（a）為用共滴定法合成的未經高溫處理的HAP粉體，（b）為將（a）所制得的粉體經過150℃保溫1.5h、300℃保溫1h、750℃保溫5h的高溫處理后所得到的HAP粉。由圖中可看出，圖(b)的峰形明顯比圖(a)的尖銳，說明高溫處理有利于HAP的結晶。而在人骨中的羥基磷灰石是低結晶度的[4]，因此本實驗采用未經高溫處理的HAP。

(a)未經高溫處理的HAP (b)經高溫處理的HAP

圖1、樣品的XRD圖譜

3.2 掃描電鏡(SEM)分析

圖2為樣品的SEM照片，由（a）圖中可以看出，樣品的孔呈不規則形態，且孔徑不一，孔與孔之間相互連通。且在樣品的大孔壁上存在大量的小孔，從而進一步保證了陶瓷支架材料的三維連通性。大孔主要是物理發泡過程中形成的泡孔；小孔是由水分子在冷凍后形成微小的冰晶，在干燥過程中升華而形成的。且在微波干燥過程中，樣品有一定的膨脹，形成了一些連接大孔與小孔的通道，這些通道的存在有利于營養物質向支架內部運輸。

（a）200× (b)1000×

圖2、樣品的SEM照片

3.3 樣品的強度

圖3（a）和（b）分別為樣品的抗壓強度和孔隙率與水含量的關系。從圖可看出，樣品的抗壓強度為0.3～1.1MPa，開孔率為79%～89%。多孔材料在孔隙率達到80%以上時，強度會明顯降低，但作為非承重的多孔支架材料只是在細胞植入的初期強度較弱，一旦細胞分化到足夠的數量，長入支架內部，發生骨礦化，機械強度就會增加[6]。由圖3(b)中曲線的趨勢可以看出，水含量越高，樣品的氣孔率越大。由于氣孔率和抗壓強度呈反比，相應地抗壓強度隨著水含量的增加而降低。因此，可以通過改變水的含量來調節材料的孔隙率和強度。

(a) 抗壓強度和水含量的關系

(b) 孔隙率和水含量的關系

圖3、樣品的抗壓強度及開孔率與水含量的關系

3.4 樣品的孔徑分布

支架材料的孔隙率及孔徑的大小在骨傳導、骨向支架內的生長以及營養物質在支架內的運輸有重要的作用。一般適于骨傳導的最佳孔徑為100～400μm[6]，但也有文獻報道可以大到500μm以上。為了分析通過物理發泡制得的多孔陶瓷支架材料的孔徑分布情況，根據不同放大倍率的樣品的SEM照片，對樣品的孔徑大小進行測定計算，并采用數學統計法對孔徑分布情況進行統計分析，所得到的分析結果如圖4所示。

圖4、樣品的孔徑分布

由圖4的孔徑分布情況可看出，物理發泡所得到樣品的孔徑在800μm以下， 100～700μm的孔所占的體積百分數為63.5%，占所有孔體積的74.3%。這種具有梯度孔徑且三維連通的孔結構使材料具有較大的比表面積，有利于細胞在支架上的增殖和骨在支架上的傳導。由于物理發泡的孔主要是由泡孔和冰晶升華留下的孔組成，所以通過控制混合物中水、膠原蛋白與羥基磷灰石的配比，可以控制不同的孔徑，減少孔徑分布的跨度，提高孔徑分布的均勻度，使材料的孔結構更能滿足生物實驗的要求。

4結論

（1） 以實驗室自制的羥基磷灰石粉和買來的膠原蛋白為主要原料，采用機械發泡、澆注成形、冷凍和微波干燥的工藝制得了羥基磷灰石/膠原蛋白多孔支架材料；

（2） 樣品的SEM分析表明，樣品具有800μm以下的梯度孔，孔與孔之間彼此相互連通，呈不規則形狀；

（3） 樣品的開孔率在79%～89%之間，抗壓強度在0.3～1.1MPa之間，基本能滿足工程支架材料對強度和孔隙率的要求；

（4） 通過對材料的抗壓強度、孔隙率與水含量關系的分析得知，材料的抗壓強度與水成反比；孔隙率與水成正比，所以可通過調節水的含量來調整材料的孔隙率和強度。

參考文獻

1 Dean-Mo Liu.Preparation and Characterisation of Porous Hydroxyapatite Bioceramic via a Slip-Casting Route[J]. Ceramics International，1998，24

2 王莉麗，趙 康，陳永楠.凝膠成型法制備多孔羥基磷灰石生物陶瓷[J].硅酸鹽通報，2005，2

3 Noriko Kotobuki，Koji Ioku，Daisuke Kawagoe，et al.Observation of osteogenic differentiation cascade of living mesenchymal stem cells on transparent hydroxyapatite ceramics[J].Biomaterials，2005，26

4 林曉艷.骨修復用膠原復合支架材料研究進展[J].國外醫學生物醫學工程分冊，2004(2)，27

5 林曉艷，溫賢濤，李 虎等.共滴定法制備納米羥基磷灰石/膠原復合材料及其性能[J].四川大學學報(工程科學版)，2004(4)，36

6 L.A.Cyster，D.M.Grant，S.M.Howdle， et al.The influence of dispersant concentration on the pore morphology of hydroxyapatite eramics for bone tissue engineering [J].Biomaterials， 2005，26