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针对现有椎间融合器材料在临床应用中的不足,本论文拟选用生物相容性好且可降解聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)为基体,具有良好的生物相容性与骨传导性的纳米羟基磷灰石(n-HA)为无机组分,制备一种纳米无机粒子增强的高聚物复合材料,用于椎间融合器的研制。同时,为解决丙交酯对n-HA直接接枝改性无法解决的n-HA与PLGA复合过程中纳米粒子易团聚以及两者界面相容性差这两大难题,本论文提出分别利用三种小分子(KH550,柠檬酸和L-赖氨酸)结构中的活性氨基或羟基引发丙交酯开环聚合的三种联合接枝法对n-HA进行表面改性,然后分别考察其与PLGA复合的效果。其目的是提高n-HA与丙交酯的接枝率以获得分散性更好的n-HA,使n-HA能以较高含量与PLGA复合以获得具有更好的生物活性且力学性能优异的复合材料,同时该复合材料具有合适的降解性能及生物活性,以便能获得综合性能优异的复合材料用于椎间融合器材料。
本文首先对n-HA采用KH550与丙交酯联合接枝改性,并与未改性的n-HA进行对比,FTIR、XPS、TGA、TEM和沉降实验证明该法可对n-HA成功接枝聚乳酸,使得改性后的n-HA在疏水溶剂中的分散性和胶体稳定性明显提高;且将其按3wt%、10wt%、20wt%和30wt%比例与PLGA复合后,通过SEM、DSC分析得出改性后的n-HA粒子在PLGA中分散性更好且PLGA结晶度更高,以致n-HA添加量为10%时可使PLGA的抗弯强度和拉伸强度分别提高14.3%和11.4%,远远高于未改性n-HA对PLGA的增强效果;体外SBF浸泡实验结果表明:改性后的n-HA的复合材料比未改性的n-HA的复合材料强度衰减有所减弱,pH值降低得要少,更有利于Ca、P在材料中的沉积。综合得出该联合接枝法可为制备力学性能优异、降解速度适当的高含量n-HA的n-HA/PLGA复合材料用于椎间融合器材料提供参考。
其次,为获得一种既能对n-HA有效改性,又能保持很好的生物相容性的改性方法,本章考察了不同用量L-赖氨酸与丙交酯进行联合接枝的效果,同时与未改性的复合材料进行对比。通过IR、TGA及分散实验证实该联合方法可以成功地对n-HA进行表面接枝改性,且引入的赖氨酸越多接枝率越高,在二氯甲烷中的分散性也越好;将其按10wt%和20%比例分别与PLGA复合后,通过DSC及万能材料力学试验机对复合材料的测试表明,当添加相同含量的n-HA时,较高赖氨酸用量进行接枝后的n-HA有更好的促进PLGA结晶的能力,以致n-HA添加量为20wt%时其拉伸强度仍然比PLGA提高了7.5%;同时体外细胞实验表明该联合接枝法改性后的n-HA的复合材料有良好的生物相容性,且复合材料中n-HA含量越高,其细胞相容性越好。综合得出该联合接枝改性在研制具有较高骨融合率的椎间融合器中有很好的应用前景。
最后,基于柠檬酸分子结构中的多个羧基和活性羟基及其空间位阻作用,选用柠檬酸与丙交酯对n-HA进行联合接枝改性,同时与直接接枝丙交酯法进行对比研究,通过IR、XRD、TGA、TEM及分散实验,证明该联合处理法可以在n-HA表面成功地接枝更多的聚乳酸,以致即使静置1天仍然可保持很好的分散;同时将以上两种改性n-HA分别按3wt%、8wt%、15wt%、25wt%的比例与PLGA进行溶液共混复合,通过SEM、DSC及力学性能测试,得出该联合法接枝后的n-HA在添加3wt%的n-HA后,其复合材料的抗弯强度和拉伸强度都比PLGA基体提高20%以上,即使添加15wt%的无机粒子时其抗弯强度和拉伸强度仍然比PLGA基体分别提高8%和6%;体外SBF浸泡实验表明该改性法的n-HA复合材料有更慢的降解速度及更好的类骨磷灰石沉积的能力;另外体外细胞培养实验发现该联合接枝法处理后的n-HA的复合材料有更好的细胞粘附和增殖能力,添加n-HA越多的复合材料,细胞相容性越好。综合得出该改性方法有望用于具有高强度高生物活性的可吸收椎间融合器的研制。
通过对n-HA采用以上三种新型接枝法的改性及与PLGA复合材料的研究,得出这三种新型联合接枝法使n-HA对PLGA都有不同程度的力学增强效果、同时具有较慢的降解性能及良好的细胞相容性。但通过比较其中柠檬酸与丙交酯联合接枝法效果最好,用于具有高强度高生物活性的可吸收椎间融合器材料的研制有好的前景。