壳聚糖/纳米羟基磷灰石人工骨的构建及物理性能评价

【摘要】目的:制备壳聚糖/纳米羟基磷灰石人工骨，评价其物理性能。方法：采用冷冻干燥法制备不同质量比的壳聚糖/纳米羟基磷灰石人工骨，通过乙醇置换法检测孔隙率，直接浸泡称重法测定吸水率，万能材料实验机测试压缩强度，筛选出最佳制备工艺条件。结果：人工骨具有多孔性结构，孔隙率均大于85%，且随着壳聚糖和纳米羟基磷灰石含量的增加而下降；吸水率随纳米羟基磷灰石含量的增加而下降，随壳聚糖浓度的增加而上升；压力强度则随壳聚糖和纳米羟基磷灰石含量的增加而上升。最佳制备工艺条件为2%壳聚糖2g+1g纳米羟基磷灰石。结论：壳聚糖/纳米羟基磷灰石人工骨具有良好的孔隙率、吸水率和压力强度，可能为骨组织工程比较理想的生物材料。

【关键词】人工骨;构建；物理性能

【中图分类号】R318 【文献标识码】A 【文章编号】1008-6455（2010）11-0257-01

目前，临床上由肿瘤、外伤、骨疾等所造成的骨缺损的修复方法仍然停留在骨移植阶段。移植的方式主要有自体移植和异体移植。为了克服自体移植供区有限、异体移植制样、存贮成本高等问题，越来越多的研究关注于可用作骨替代品的人工材料，特别是类似于自然骨成分的生物活性材料。本实验的目的就是构建壳聚糖/纳米羟基磷灰石人工骨，通过物理性能的检测筛选出最佳制备工艺条件，以期为骨缺损的治疗提供新思路。

1材料与方法

1.1材料:纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyapatite, nano-HA)，羧甲基纤维素钠(carboxymethyl cellulose, CMC)，壳聚糖(chitosan, CS)。

1.2方法

1.2.1冷冻干燥法制备人工骨：将CS溶解于乙酸溶液中制备成CS溶液，再将nano-HA添加到CS溶液中，最后在持续搅拌的状态下将CMC溶液逐滴滴加到上述混合溶液中，搅拌、静置、灌注、冷冻干燥即制得人工骨。

1.2.2液体（乙醇）置换法测定孔隙率[1]：取已制备好的人工骨，分别放入盛有无水乙醇的试管中。试管内原始无水乙醇的体积为V0，人工骨被乙醇完全浸泡并无气泡时（约10min），记此时人工骨与乙醇的总体积为V1。然后将人工骨从试管中取出，记剩余的乙醇体积为V2。根据公式P%=[(V0-V2)/(V1-V2)]×100%可计算出孔隙率。

1.2.3直接浸泡称重法检测吸水率[2]：将干燥的一定大小的样品称重，记为Wi，然后将样品浸入PBS溶液中（PH=7.2），37℃恒温箱2h后取出，用滤纸吸干样品表面多余的水分，称重记为Ws。吸水率= (Ws-Wi)/Wi ×100%。

1.2.4力学性能测试：万能材料实验机对人工骨进行压缩强度的测试。压缩速度1mm/min。

1.3统计学处理 实验数据用x±s 表示，采用SPSS11.5进行统计学分析。组间比较采用单因素方差检验，p

2结果

2.1孔隙率:所有人工骨具有较高的孔隙率，均在85%以上。且当CS浓度相同时，随着nano-HA含量的增加，孔隙率下降；当nano-HA含量相同时，随着CS浓度的上升，孔隙率仍然下降。

2.2吸水率:当CS浓度相同时，吸水率和孔隙率一样随nano-HA含量的增加而下降。但是当nano-HA含量相同时，吸水率则随着CS浓度的上升而上升。

2.3压力强度:均随着CS浓度和nano-HA含量的增加而增加。

具体统计结果见表1，最佳制备工艺条件为2% CS 2g+1g nano-HA。

3讨论

骨是一种复杂的生物矿化体系，生理状态的磷灰石结晶极小，尺度在纳米级。因此从仿生学的角度来看，应当保持骨组织替代材料中HA在纳米状态。本实验选用nano-HA作为主要原料，以CMC为交联剂代替常用的具有毒性作用的戊二醛，依据CMC与CS结构相似但电荷相反可形成聚电解质的原理制备人工骨，既能使nano-HA均与分布到支架孔壁上，又能在一定程度上降低材料的细胞毒性。

支架的吸水率是支架材料和结构的一个综合性指标。吸水率的高低直接影响支架中的微环境以及细胞在支架中存活和生长的状态。特别是在支架移植初期，血管化还没有完成的时候，支架中营养的供给完全依赖于体液的扩散来完成。良好的吸水性和通透性，对营养的供给和代谢物的排出非常重要。本实验尝试用亲水性好的羧甲基纤维素来改性壳聚糖，提高疏水性壳聚糖材料对水分子的吸附能力，另一方面想通过引入羧甲基纤维素破坏壳聚糖分子内和分子间的氢键作用，暴露出更多的亲水集团与水作用，使得壳聚糖的吸水率大大提高。

孔隙率是支架材料另一个重要指标，是指散粒状材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。高的孔隙率证明材料具有大的比表面积和孔容积。从细胞培养的角度讲，大的比表面积和孔容积有利于细胞在基质上的滞留、均匀分布和粘附，有利于养分和代谢产物的运输及交换，从而有利于细胞的生长。本实验在CMC中添加碳酸氢钠，以反应产生的二氧化碳作为致孔剂来增加人工骨的孔隙率，改善其微观结构。但高孔隙率实际上是以牺牲一定的抗压强度为代价的。如何平衡、如何取舍仍然是令人困扰的问题。

参考文献

[1]李强，孙正义，严冬雪等.脱钙骨基质材料的生物学表现：降解性能、孔隙率及其黏附性能特征[J].中国组织工程研究与临床康复.2007;11(31):6121-24

[2]徐德增，李丹，郭静等.壳聚糖接枝丙烯酸吸水纤维的制备及性能[J].大连工业大学学报.2009;28(5):351-3