几种骨组织工程复合支架材料在模拟生理溶液中的生物矿化性能比较

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2006.01.015 第28卷第1期 北。京科技大学学报 Vol.28 No.1 2006年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2006 几种骨组织工程复合支架材料在模拟生理 溶液中的生物矿化性能比较 郑裕东1）王迎军2》陈中华2) 陈晓峰2)吴刚2)谢建新1) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)广州华南理工大学材料科学与工程学院，广州510640 摘要采用生物活性玻璃(BG)、磷酸三钙(TCP)、羟基磷灰石(HA)等生物活性陶瓷与3-羟基丁 酸酯-3-羟基戊酸酯的共聚物(PBV)复合，制备了性能良好的骨组织工程支架材料，分析了 PHBV/BG,PBV/TCP,PHBV/HA三种复合多孔支架在模拟生理溶液中的一系列化学反应，以及 多孔材料在模拟生理溶液中浸泡后的成分、结构和微观形貌的变化.研究结果表明，三种复合支架 材料在模拟生理溶液中发生了降解反应而失重；PHBV/BG和PHBV/TCP在模拟生理溶液中还发 生了生物矿化反应，在表面形成矿化沉积层，为具有骨生物活性的结晶态类骨碳酸羟基磷灰石：而 PHBV/HA在模拟生理溶液中没有明显的生物活性反应， 关键词生物矿化；聚羟基烷酸酯；生物活性玻璃；B一磷酸三钙；羟基磷灰石；模拟生理溶液 分类号T0631;B332 在骨组织工程构建中，支架材料为骨细胞的 PHBV/TCP,PHBV/HA三种复合多孔支架在体 粘附、分化和增殖提供一个临时的培养场所，因此 外模拟生理环境中的降解性和生物活性反应，并 骨组织工程支架材料不仅应有生物相容性和降解 对复合支架材料在模拟生理溶液(SBF)中形成生 性，同时要求具有良好的细胞亲和性和生物活 物矿化层的微观形貌变化和成分结构进行分析和 性13].3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯的共聚物 表征 (PHBV)是利用微生物发酵合成的一种可降解热 塑性生物高分子，研究表明其作为组织工程支架 1 实验部分 材料有很好的应用前景[46].但PHBV还存在细 1.1试剂和原材料 胞亲和性和骨结合力较弱，降解产生的酸性物质 3-羟基丁酸酯(HB)-3-羟基戊酸酯(HV)共 可能导致无菌性炎症弱等不足，为解决上述问 聚物PHBV,ICI公司生产，等级为D400p,HV含 题，本课题组采用磷酸三钙(TCP)、羟基磷灰石 量10%；氯仿，分析纯；去离子水，自制：致孔剂； (HA)、生物活性玻璃(BG)三种生物活性陶瓷与 生物活性玻璃(BG;)、羟基磷灰石(HA)、3型磷酸 PHBV复合制备骨组织工程支架材料7-8]，研究 三钙(B-TCP),本实验室制备. 已知生物活性陶瓷在生理环境中可发生一系列离 1.2复合多孔支架材料的制备 子交换和溶解-沉淀反应，在表面形成碳酸羟基磷 称量经充分干燥的PHBV,加入一定量的氯 灰石(HCA)晶体.HCA在组成和结构上与天然 仿，搅拌并加热回流至完全溶解后，再按不同配比 骨的无机矿物类似，可吸附多糖，胶原等细胞外基 加入筛分好的致孔剂和生物活性陶瓷(BG,HA,B 质，并与宿主骨组织发生化学键合[91】.在以前 -TCP),充分搅拌，得到均匀的悬浊液；将此悬浊 的研究中，笔者已系统探讨了PHBV/BG复合支 液倒入模具中，恒温加压，待溶剂完全挥发后，将 架材料在模拟生理溶液中的一系列化学反应及结 所得PBV/致孔剂/生物活性陶瓷复合物浸入去 构和结构变化12).本文将主要研究PHVC/BG, 离子水中反复冲洗，得到PHBV复合三维多孔支 架材料，真空干燥(25℃，13.33Pa)24h. 收稿日期：2004-11-24修回日期：2005-03-22 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(No.59932050)；广 1.3体外生理模拟实验 东省自然科学基金资助项目(No.990621);广东省重点科技攻关 体外生理模拟实验所用的SBF溶液中所含 项目(N6.A302020202) 各种无机离子浓度和缓冲能力与人体血浆基本一 作者简介：郑裕东(1966一).女，副教投，博士 致[12].将SBF溶液和多孔支架试样称量和消毒

第 卷 第 期 ‘ 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 似 比加卜艰 价场 。 。 ‘ 几种骨组织工程复合支架材料在模拟生理 溶液 中的生物矿化性能比较 郑裕 东 ’ 王 迎 军 陈 中华 陈晓峰 吴 刚 谢建新 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 广 州华南理工大学材料科学与工程学院 ， 广州 摘 要 采用 生物活性玻璃 、 磷酸三钙 、 轻基磷灰石 等生物 活性陶瓷与 一 轻基丁 酸醋一 一 羚 基 戊 酸 酷 的共聚 物 复合 ， 制备 了性 能 良 好 的 骨 组 织 工 程 支 架 材料 ， 分 析 了 ， ， ‘ 三种复合多孔支架在模拟 生理溶液 中的一 系列 化学 反应 ， 以 及 多孔材料在模拟 生理溶液 中浸泡后的成分 、 结构和微观形貌的变化 研究结果表 明 ， 三种复合支架 材料在模拟 生理溶液中发生 了降解反应而 失重 和 在模拟 生理溶液 中还 发 生 了生物矿 化反应 ， 在表面形成矿化沉积层 ， 为具有骨 生物活性 的结 晶态 类骨碳酸轻 基磷 灰石 而 在模拟 生理溶液 中没有明显 的生物活性反应 关锐词 生物矿化 聚轻基烷酸酷 生物活性玻璃 日一 磷酸三钙 羚基磷灰石 模拟 生理溶液 分类号 在骨组织 工 程构 建 中 ， 支架材料 为骨 细 胞 的 粘附 、 分化和增殖提供一个 临时的培养场所 ， 因此 骨组织工 程支架材料不仅应 有生物相容性和 降解 性 ， 同 时 要 求 具 有 良好 的 细 胞 亲 和 性 和 生 物 活 性 ‘ 一” 一 经 基 丁 酸 醋一 一 经 基 戊酸 醋 的共 聚 物 是利用微生物发酵 合成 的一 种可 降解热 塑性生物高分子 ， 研 究表 明其作 为组 织 工 程 支 架 材料有很好 的应用 前景 一 但 还 存在 细 胞亲和性和骨 结合力较 弱 ， 降解 产 生 的酸性物质 可 能 导 致 无 菌性 炎 症 弱 等不 足 为解决 上 述 问 题 ， 本课 题 组 采 用磷 酸 三 钙 、 经 基 磷 灰 石 、 生物 活 性 玻璃 三 种 生物 活性 陶 瓷 与 复合制 备 骨 组 织 工 程 支 架 材 料 一“ ， 研 究 已知生物活性 陶瓷在生理环境中可发生一 系列离 子交换和溶解 一沉淀反 应 ， 在表面形成碳酸轻 基 磷 灰石 晶体 在 组 成和 结 构 上 与 天 然 骨的无机矿物类似 ， 可 吸附多糖 ， 胶原等细胞外基 质 ， 并与宿 主 骨 组 织 发 生 化 学 键 合〔 一 川 在 以前 的研究中 ， 笔 者 已 系统探 讨 了 复 合 支 架材料在模拟 生理溶液 中的一 系列化学反应及结 构和结构 变化 ’ 〕 本 文将 主 要 研 究 ， 收稿 日期 一 一 修回 期 一 一 蔫金项 目 国家 自然 科学基金重点资助 项 目 广 东省 自然科学基金资助项 目 广 东省重点科技攻关 项 目 作者简介 郑裕 东 一 ， 女 ， 副教授 ， 博士 ， 三 种复合 多孔 支 架在 体 外模拟 生理 环 境 中的降解性 和 生物活性反 应 ， 并 对复合支架材料在模拟 生理溶液 中形成生 物矿化层 的微观形貌变 化和成分结构进行分析和 表征 实验部分 试剂和原材料 一经基丁酸醋 一 一 经 基 戊酸醋 共 聚物 ， 公 司生产 ， 等级 为 ， 含 量 氯 仿 ， 分 析 纯 去离子 水 ， 自制 致 孔剂 生物活性玻璃 、 轻基磷灰石 、 型磷酸 三钙 日一 ， 本实验 室制备 复合多孔支架材料的制备 称量 经 充分 干 燥 的 】 ， 加入 一 定量 的氯 仿 ， 搅拌并加热 回流 至完全溶解后 ， 再按不 同配 比 加入筛分好 的致孔剂和 生物 活性 陶瓷 ， ， 月 一 ， 充分搅拌 ， 得 到均 匀 的悬 浊液 将此 悬 浊 液倒 入 模具 中 ， 恒 温 加 压 ， 待溶剂 完全挥发后 ， 将 所得 致孔剂 生物 活性陶瓷复合物 浸入 去 离子水 中反 复冲洗 ， 得 到 复合三维多孔支 架材料 ， 真空干燥 ℃ ， · 体外生理模拟实验 体外生 理 模拟 实验所 用 的 溶液 中所 含 各种无机离子浓度和缓冲能力与人体血浆基本一 致 ’ 将 溶液 和 多孔支架试 样称量 和 消毒 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2006．01．015

·64· 北京科技大学学报 2006年第1期 后，采用自制装置进行动态循环实验，采取真空 失重所致. 隔绝、添加防腐剂和过滤细菌等措施防止试样和 50m 溶液发霉变质，浸泡不同时间，取出试样进行分析 40F 测试. 是30 1.4失重率测试 将不同浸泡时间的PHBV/生物活性陶瓷复 PHBV/TCP /PHBV/HA 合支架材料取出，经去离子水反复浸泡洗涤和干 10 PHBV/BG 燥后，用Sartous型高精密度电子天平（北京赛多 10 2030 4050 利斯天平有限公司生产)称重并计算其失重率8 浸泡天数d =(m0-m)/mo×100%,其中m0和m分别为 图1复合材料的失置率随时间的变化 浸泡前后的质量， Fig.1 Changes of weight loss of complex scaffolds immersed in 1.5分析测试 SBF solution for different time 采用Philips SL-30F1G型扫描电子显微镜 2.2在模拟生理溶液中反应后的表面形貌比较 对浸泡前后支架试样的表面形貌进行观察，并摄 具有骨生物活性的无机陶瓷材料在生理环境 电镜照片；采用美国Nicolet公司生产的Avatar 中通过与体液发生一系列离子交换和化学沉积反 型傅里叶变换红外光谱仪对浸泡前后的试样进行 应，可在表面形成类骨碳酸羟基磷灰石晶体，与宿 红外漫反射光谱分析；采用D/max-mA型X射 主骨组织发生化学键合，并具有诱导骨组织形成 线衍射仪进行XRD分析， 的作用.为了研究BG,TCP,HA等生物活性材 2结果与讨论 料与PHBV复合后是否仍具有上述的生物活性 反应，系统考察了PHBV/BG,PHBV/TCP和 2.1复合支架的体外降解失重比较 PHBV/HA复合支架在模拟生理溶液中浸泡后表 图1是PHBV/BG、PHBV/HA和PHBV/B- 面形貌和结构的变化， TCP三种多孔支架复合材料在SBF溶液中浸泡 图2是PHBV/BG在SBF溶液中浸泡不同 不同时间的失重率变化曲线.在浸泡初期这几种 时间的扫描电镜照片.浸泡前，BG颗粒粘附或镶 复合材料失重速率基本上相同.但随着浸泡时间 嵌在PHBV孔壁上，支架的多孔网状结构清晰可 的延长，PHBV/BG复合支架材料的失重缓慢增 见（图2(a).PHBV/BG在SBF溶液中浸泡24h 加；而PHBV/TCP和PHBV/HA支架材料失重 后，BG颗粒开始出现外延生长的晶簇，粗糙度变 速率则有较大的增加，明显大于PHBV/BG.复合 大（图2(b).随着浸泡时间的增加，BG表面生 支架材料的失重与PHBV的降解反应有关，PH- 长的颗粒数目增多，出现呈菜花状或蘑菇形的晶 BV在生理环境中通过水解反应而降解，降解产 簇：且随着时间的延长，其直径变大，72h后外延 物为羟基丁酸、羟基戊酸等小分子有机酸，导致的 生长的球形晶簇直径可达1.2m(见图2(c).浸 质量损失和相对分子质量下降13].这些酸性降 泡7d后，BG表面的晶簇足够大，晶簇之间相互 解产物使徽环境pH值下降，可以促进PHBV的 接触，融合成板状，在PHBV表面的逐渐覆盖一 进一步降解14].本研究室前期研究得知，PHBV/ 层粗糙的生物矿化物（图2(d). BG的降解速率低于纯PHBV,这是由于BG与 PHBV/BG,PHBV/TCP和PHBV/HA三种 SBF溶液的离子交换反应可释放出OH,与 复合支架浸泡前无机生物活性陶瓷都分散得比较 PHBV水解产生小分子有机酸中和，使SBF溶液 均匀，颗粒轮廓清晰，界线明显，而在模拟生理溶 的pH值升高，从而减缓了PHBV的降解.TCP 液中浸泡44h的扫描电镜照片见图3.从图中可 和HA也可在溶液中释放OH,但PHBV与HA 以看出，PHBV/BG和PHBV/TCP在SBF溶液中 和TCP复合后支架的失重率却明显增加，因而认 浸泡后，表面无机粒子原来的清晰边界逐渐变得 为此时复合材料的失重率不仅仅反映了PHBV 模糊，形成晶簇或者融合连一片（图3(a),(b), 的降解，而且与复合支架在SBF溶液中的生物活 可以认为这是复合支架表面形成了矿化沉积物的 性反应有关.PHBV/BG的失重率增加缓慢，是 结果.从矿化沉积物的形状和晶簇尺寸来看， 因为其在模拟生理溶液中有较大的生物活性反 PHBV/TCP的生物矿化反应程度明显低于PH 应，表面形成矿化沉积物，掩盖了PHBV的降解 BV/BG.PHBV/HA在SBF溶液中浸泡后，表面

北 京 科 技 大 学 学 报 年第 一期 失重所致 水哥间碧 后 ， 采用 自制装置 进 行 动 态循 环 实验 采取 真 空 隔绝 、 添 加 防腐剂 和 过滤 细 菌等措施 防止试样 和 溶液发霉变质 ， 浸泡不 同时 间 ， 取 出试样进行分析 测试 失重率测试 将不 同浸 泡 时 间的 生 物 活 性 陶瓷 复 合支架材料取 出 ， 经 去 离子 水 反 复浸 泡 洗 涤和 干 燥后 ， 用 型 高精密度 电子 天 平 北 京赛多 利斯天平有限 公司 生 产 称重并 计算其失重 率 占 。 一 。 ， 其 中 。 和 分 别 为 浸泡前后 的质量 分析测试 采用 一 型 扫 描 电子 显 微镜 对浸泡前后支架试 样 的表面形 貌进行观察 ， 并摄 电镜照 片 采 用 美 国 公 司 生 产 的 型 傅里 叶变换红外光谱仪对浸泡前后 的试样进行 红外漫 反 射 光谱分析 采 用 一 山 型 射 线衍射仪进行 分析 结果与讨论 复合支架的体外降解失重比较 图 是 、 和 月 三种多孔 支 架复合材 料在 溶液 中浸 泡 不 同时 间的失重率变化 曲线 在浸 泡初期这 几种 复合材料失重速率基本上 相同 但随着浸泡时 间 的延长 ， 复 合支架材 料 的失 重 缓 慢 增 加 而 和 支 架材 料 失重 速率则有较大 的增加 ， 明显大于 复合 支架材料的失 重 与 的降解反 应 有 关 ， 在生理 环 境 中通 过 水 解反 应 而 降解 ， 降解 产 物为轻基 丁酸 、 轻基戊酸等小分子有机 酸 ， 导致 的 质量 损 失 和 相 对 分子质量下 降〔 ‘ 这 些 酸性 降 解 产物使微环 境 值下 降 ， 可 以促进 的 进一步降解 ’ 〕 本研 究室前期研 究得 知 ， 的 降解 速 率 低 于 纯 ， 这 是 由于 与 溶 液 的 离 子 交 换 反 应 可 释 放 出 一 ， 与 水解产生 小分子 有 机 酸 中和 ， 使 溶液 的 值升高 ， 从 而 减缓 了 的 降解 和 也 可在溶液 中释放 一 ， 但 与 和 复合后 支架的失重率却明显增 加 ， 因而认 为此时 复 合材 料 的 失 重 率 不 仅 仅 反 映 了 的降解 ， 而且与复合支架在 溶 液 中的生 物活 性 反 应 有关 的 失 重率 增 加 缓 慢 ， 是 因为其在模拟 生 理 溶 液 中有较 大 的 生 物 活 性 反 应 ， 表面形 成 矿 化 沉 积 物 ， 掩 盖 了 的 降解 浸泡天数 图 复合材料的失皿率随时间的变化 韶 沙 兹 邝 。 即 口 伪 代川 在模拟生理溶液中反应后 的表面形貌比较 具有骨生物活性 的无机 陶瓷材料在生理 环境 ， 创， 中通过 与体液发生一 系列离子交换和 化学 沉积 反 应 ， 可在表面形成类骨碳酸轻基磷灰石 晶体 ， 与宿 主骨组织发生 化学键 合 ， 并 具 有诱 导 骨 组 织 形 成 的作用 为了研 究 ， ， 等生物活性材 料与 复合后 是 否 仍具 有 上 述 的生 物 活性 反 应 ， 系 统 考 察 了 ， 和 复合支架在模拟 生理 溶 液 中浸 泡 后 表 面形 貌和 结构 的变化 图 是 在 溶液 中浸 泡 不 同 时间的扫描 电镜照 片 浸泡前 ， 颗粒粘 附或镶 嵌在 孔壁上 ， 支架的 多孔 网状 结构清晰可 见 图 在 溶液 中浸泡 后 ， 颗粒开始 出现 外 延生 长 的晶簇 ， 粗糙度变 大 图 随 着 浸 泡 时 间的增 加 ， 表 面 生 长的颗粒数 目增 多 ， 出现 呈 菜花 状 或 蘑 菇形 的 晶 簇 且随着时 间的 延 长 ， 其直径变大 ， 后 外 延 生长 的球形晶簇直径可达 拌 见 图 。 ” 浸 泡 后 ， 表 面 的 晶簇足 够大 ， 晶簇之 间相 互 接触 ， 融 合成板 状 ， 在 表 面 的逐 渐覆 盖 一 层粗糙的生物矿化物 图 ， 和 三 种 复合支架浸泡前无机生物活性陶瓷都分散得 比较 均 匀 ， 颗 粒轮廓清晰 ， 界 线明显 ， 而 在模拟 生理溶 液 中浸泡 的扫描 电镜照 片见 图 从 图中可 以看 出 ， 和 在 溶液 中 浸泡后 ， 表 面无 机粒子原 来 的清晰边 界 逐 渐变得 模糊 ， 形成 晶簇 或者融 合连 一 片 图 ， ， 可 以认为这是复合支架表面形成 了矿 化沉积物 的 结果 从 矿 化 沉 积 物 的 形 状 和 晶 簇 尺 寸 来 看 ， 的生 物矿 化反 应 程 度 明显 低 于 在 溶液 中浸 泡后 ， 表面

Vol.28N0.1郑裕东等：几种骨组织工程复合支架材料在模拟生理溶液中的生物矿化性能比较 ·65· 形貌变化不大，没有明显的矿化沉积物出现（图3 (c). 图2PHBV/BG在SBF溶液中浸泡不同时间的电镜照片，(a)0h:(b)24h:(e)72h:(d)7d Fig.2 SEM photographs of PHBV/BG after immersed in SBF solution for (a)0 h,(b)24 h.(e)72 h,and [d)7d 图3PHBV/BG(a,PHBV/ITCP(b)和PHBV/HA(©)在模拟生理溶液中浸泡44h的扫描电镜照片 Fig.3 SEM photographs of PHBV/BG (a),PHBV/TCP (b),and PHBV/HA (c)after immersed in SBF solution for 44 h 2.3表面矿化层结构表征 肩峰.这说明BG表面的Si一O一S:组分逐渐减 采用傅立叶变换红外光谱分析和XRD衍射 少，磷酸盐成分逐渐增多.这是由于Ca2+和 图谱对复合支架材料表面生成的矿化沉积物层的 PO}-在BG表面的富硅氧层聚集，形成无定形的 成分和结构进行了表征.图4是PHBV/BG复合 Ca0-P2O5,覆盖在BG颗粒表面[161.在SBF溶 支架在SBF溶液中浸泡前后的红外漫反射图谱. 液中浸泡后出现P一O弯曲振动峰(558cm1)、 1044cm P一0伸缩振动峰(605cm1)和碳酸根离子伸缩 605cm-' 1404cm 44d 振动峰(1044cm-1和1404cm-1)等特征吸收峰， 558cm 28d 表明形成了碳酸羟基磷灰石HAC. 图5是PHBV/TCP复合支架材料经过浸泡 不同时期的红外光谱图.浸泡后在FTIR图谱出 600800100012001400160018002000 现了HCA的特征峰，即560cm1(P一O弯曲振 波数cm 图4PHBV/BG浸泡前后的TR图谱 动)、608cm1(P一O弯曲振动)和碳酸根离子伸 Fig.4 FTIR spectra of PHBV/BG composites before and after 1410cm being immersed in SBF solution 608cm- 2 MM 44d PHBV/BG支架浸泡后，FTIR波谱中出现了 560 cm- 新的特征吸收峰：568cm'(P一0弯曲（晶体）振 人M 28d 动)、604cm1(P一O弯曲（晶体）振动)，这两个峰 人wM 600 800 是生物活性物质碳酸羟基磷灰石(HCA)形成的 1000120014001600 波数/cn 标志[s],由于PHBV特征峰的干扰，BG特征峰 图5PHBV/TCP浸泡前后的TIR图谱 变化不甚明显.随着浸泡时间的延长，1085cm1 Fig.5 FTIT spectra of PHBV/TCP composites before and after 附近的峰位向高波数移动，同时低波数一侧出现 being immersed in SBF

。 郑裕东等 几种骨组织工程复合支架材料在模拟生理溶液中的生物矿化性能比较 形貌变化不大 ， 没有 明显 的矿 化沉积物 出现 图 。 表面矿化层结构表征 采 用傅立 叶变换红 外光 谱分析和 衍 射 图谱对复合支架材料表面生成的矿化沉积物层 的 成分和结构进行 了表征 图 是 复合 支架在 溶液 中浸泡前后 的红 外漫反 射图谱 黔一 握派 一私 动迎 波数 “ 图 漫泡前后的 图谱 比 丑 朋 雌 皿比路 垃 成 叻 肩峰 这 说 明 表 面 的 一 组 分逐渐 减 少 ， 磷 酸 盐 成 分 逐 渐 增 多 这 是 由 于 和 叹 一 在 表面的富硅氧层聚集 ， 形成无 定形 的 一 几 ， 覆盖 在 颗 粒 表 面〔‘“ 〕 在 溶 液 中浸 泡 后 出现 一 弯 曲振 动 峰 一 ’ 、 一 伸缩振动峰 一 ‘ 和 碳酸根离子 伸缩 振动峰 一 ‘ 和 。 一 ‘ 等特征 吸收峰 ， 表明形成 了碳酸轻基磷灰石 图 是 复合支 架材 料 经 过 浸 泡 不 同时期的红 外光谱 图 浸 泡后 在 图谱出 现了 的特 征 峰 ， 即 。 一 一 弯 曲振 动 、 一 ‘ 一。 弯 曲振动 和 碳酸根离子 伸 瓣翻喇、岁 瓣摄以芝 卜 支架浸 泡后 ， 波谱 中出现 了 新的特征 吸收峰 。 一 ’ 一 弯 曲 晶体 振 动 、 。 一 ‘ 一 弯 曲 晶体 振 动 ， 这两 个峰 是生物 活性 物 质 碳 酸 轻 基 磷 灰石 形 成 的 标志 ‘ 由 于 特征峰 的干 扰 ， 特 征 峰 变化不甚 明显 随着浸泡时 间的延 长 ， 。 一 ‘ 附近 的峰位 向高波 数 移动 ， 同时 低波 数 一 侧 出现 一 人 水芯 ’ 沪洲汤喻减厂 ‘ 牛泛蕊 波 妙 数 司一 ， 嘿 图 浸泡前后的 图谱 盯 口口 加加比 妞 加汤

·66· 北京科技大学学报 2006年第1期 缩振动(1410cm1),但峰形变化不明显，说明材 没有发生明显的变化.结晶态类骨碳酸羟基磷灰 料表面有少量羟基磷灰石形成.图6是PHBV/ 石HCA有着优异的骨诱导性和骨结合能力，在 HA复合支架的红外光谱图，可以看出浸泡前后 材料表面生成HCA的结晶形态和速度是表征其 变化不大，说明表面成分没有大的改变 生物活性的重要参数[16]，因此认为在模拟生理环 境中PHBV/BG,PHBV/TCP有较高的生物活 性 44d 28 44d MMM -32 18001600140012001000800600400 波数cm1 图6PHBV/HA浸泡前后的TIR图谱 20 30 40 50 Fig.6 FTIR spectra of PHBV/HA composites before and after 2) being immersed in SBF 图8PHBV/TCP复合材料在漫泡前后的XRD图谱 图7是PHBV/BG复合支架材料在SBF溶 Fig.8 XRD spectra of PHBV/TCP composites before and after immersed in SBF solution 液中浸泡前后其表面的XRD衍射图谱.浸泡前 XRD衍射曲线为分布宽的弥散峰，表明BG颗粒 表面的相结构为无定形态（图7(a);浸泡后，衍 射曲线的宽弥散峰峰面积变小，并出现了若干个 尖锐衍射峰，随着浸泡时间的增长，在20=32° w.28d (这是碳酸羟基磷灰石HCA的特征峰)处出现不 断增强的衍射峰，可以判断在材料的表面生成了 10 2030 4050 60 HCA(图7(b),(c) 20() 32 图9PHBV/HA浸泡前后的XRD图谱 Fig.9 XRD spectra of PHBV/HA composites before and after 44d immersed in SBF solution 3结论 10 20 30 40 50 PHBV/BG,PHBV/TCP和PHBV/HA多孔 20() 支架材料在模拟生理溶液中发生了降解反应.随 图7PHBV/BG复合材料在浸泡前后的XRD图谱 着浸泡时间延长，复合材料发生质量损失，其中 Fig.7 XRD plots of pHBV/BG composites before and after im- PHBV/TCP和PHBV/HA的失重率明显大于 mersed in SBF solution PHBV/BG的失重率.PHBV/BG和PHBV/TCP 图8是PHBV/TCP复合支架材料在SBF溶 在模拟生理溶液中还发生了生物矿化反应，在表 液中浸泡前后其表面的XRD衍射图谱.同样，浸 面形成矿化沉积层.FTIR和XRD测试结果表 泡后在20=32°处出现衍射结晶峰，并且有逐渐 明，该矿化物为结晶态类骨碳酸羟基磷灰石， 增强的趋势，说明在PHBV/TCP复合支架材料 PHBV/TCP的生物活性程度小于PHBV/BG,而 的表面有HCA的生成.但PHBV/HA复合支架 PHBV/HA在模拟生理溶液中没有明显的生物活 材料在SBF溶液中浸泡前后衍射峰没有明显变 性反应， 化，均为羟基磷灰石的特征峰（见图9） 参考文献 从表面形貌变化、红外分析和XRD分析结果 [1]Wang M,Chen L J,Ni J,et al.Manufacture and evaluation 可以看出，PHBV/BG,PHBV/TCP复合支架在 and bioactive and biodegradable materials and scaffolds for tis- 模拟生理溶液中发生了明显的生物矿化反应，矿 sue engineering.J Mater Sei Mater Med,2001,12:855 化沉积物为碳酸羟基磷灰石，而PHBV/HA材料 [2]El-Amina S F,Lua HH,Khan Y,et al.Extracellular matrix

北 京 科 技 大 学 学 报 年第 期 缩振动 。 一 ‘ ， 但 峰 形 变 化不 明显 ， 说 明材 料表面有 少 量 经 基 磷 灰 石 形 成 图 是 复合支 架 的红 外 光 谱 图 ， 可 以 看 出 浸 泡 前后 变化不大 ， 说 明表面成分没有大 的改变 沙甘 没有发 生 明显 的变化 结 晶 态类 骨 碳 酸轻 基磷灰 石 有着优 异 的 骨 诱 导 性 和 骨 结 合 能力 ， 在 材料表面生成 的结 晶形 态 和 速 度是表征其 生物活性 的重要 参数〔 ‘ 〕 ， 因此认为在模拟 生理 环 境 中 ， 有 较 高 的 生 物 活 性 波数 一 ， 图 ‘ 浸泡前后的 盯 图谱 动喇 脚诚 桩映幽暇人 灿洒舔扁威昭痛湘 滋切认协石概奴脚游热 侧 ， 每哥叼岁、 韧毕侧嗽 五 五 】 碑 恤 沁 代 ” 旧吧怜 侧盆霉嗽 图 是 复合 支架材料 在 溶 液 中浸泡前 后 其 表 面 的 衍射 图谱 浸 泡 前 衍射曲线为分布宽的弥散峰 ， 表 明 颗 粒 表面 的相结构 为无 定形 态 图 浸 泡 后 ， 衍 射曲线 的宽弥散 峰峰 面 积 变 小 ， 并 出现 了若干 个 尖锐 衍 射峰 ， 随 着浸 泡 时 间 的增 长 ， 在 这是碳酸经基磷 灰石 的特征 峰 处 出现 不 断增强 的衍射 峰 ， 可 以 判 断 在 材 料 的表 面 生 成 了 图 ， 图 代 友合材料在浸泡前后的 伴 ℃ 侧昭 口叹比怜 劝 目 图谱 代 日 汕喃山 目诫 协 内 漏 脚杰一 日 当撇滋 图 ， 漫泡前后的 图谱 衅 代 朋 冷 奋 奥剑烈常 侧 图 复合材料在漫泡前后的 图谐 响 俪 · 歇月 结论 ， 和 多 孔 支架材料在模拟 生理溶液 中发 生 了降解 反 应 随 着浸 泡 时 间 延长 ， 复 合 材料 发 生 质 量 损 失 ， 其 中 和 的 失 重 率 明 显 大 于 的失重 率 和 在模拟 生理溶液 中还 发 生 了生 物 矿 化反 应 ， 在 表 面形 成 矿 化 沉 积 层 和 测 试 结 果 表 明 ， 该 矿 化 物 为 结 晶 态 类 骨 碳 酸 轻 基 磷 灰 石 的生 物 活性 程 度 小 于 ， 而 、 在模拟 生理 溶液 中没有 明显 的生物 活 性反 应 考 文 献 ， ， ， ， ， 卜 ， ， ， 己 了 图 是 复 合支架材料在 溶 液 中浸泡前后其表面 的 衍射 图谱 同样 ， 浸 泡后 在 ’ 处 出现 衍 射 结 晶峰 ， 并 且 有 逐 渐 增强 的 趋 势 ， 说 明在 复 合 支 架 材 料 的表面有 〔 的 生 成 但 复 合 支 架 材料在 溶 液 中浸 泡 前 后 衍 射峰 没 有 明显 变 化 ， 均为轻基磷灰石 的特征 峰 见 图 从表面形貌变化 、 红 外分析和 分析结果 可以 看 出 ， ， 复 合 支 架 在 模拟 生理 溶液 中发 生 了 明显 的 生 物 矿 化 反 应 ， 矿 化沉积物 为碳酸经 基 磷 灰石 ， 而 材料

Vol.28 No.1 郑裕东等：几种骨组织工程复合支架材料在模拟生理溶液中的生物矿化性能比较 ·67· production by human osteoblasts cultured on biodegradable and in vitro characterisation of novel bioresorbable and bioac- polymers applicable for tissue engineering.Blomaterlals, tive composite materials based on polylactide foams and Bio 2003,24:1213 glass(r for tissue engineering applications.Bomaterials, [3]Hutmacher D W.Scaffolds in tissue engineering bone and car- 2002,23:3871 tilage.Biomaterials,2000,21:2529 [11]Chua T M G,Ortone D G,Hollister S J.et al.Mechanical [4]Williams S F,Martin D P,Horowitz D M,et al.Peoples, and in vivo performance of hydroxyapatite implants with con- PHA applications:addressing the price performance issue I. trolled architectures.Blomaterials,2002,23:1283 Tissue engineering,Int J Biol Macromolec,1999,25:111 [12]郑裕东，王迎军，任耀彬，等，PHBV/sol-gel Bioglass骨组织 [5]Zhao K,Deng Y.Chen J C.et al.Polyhydroxyalkanoate 工程支架材料在模拟生理溶液中的化学反应研究.高等学 (PHA)scaffolds with good mechanical properties and biocom- 校化学学报，2003,24(7)：1325 patibility.Biomaterials,2003,24:1041 [13]Yoshie N,Nakasato K,Fujiwara M.Effect of low molecular [6】郑裕东，钟膏华，马文石.用活性污泥生物合成聚羟基烷酸 weight additives on enzymatic degradation of poly 3-hydroxy- 酯的结构表征.高等学校化学学报，2000,21：991 butyrate.Polymer,2000,41:3227 [7]Zheng Y D,Chen X F,Wang YJ.The sol-gel derived bioac- [14]Kusaka S,Iwata T,Doi Y.Properties and biodegradability of tived glass/polyhydroxyalkanoates composites for bone tissue ultra-high-molecular-weight poly [R )-3-hydroxybutyrate engineering scaffolds//5 th Asian Symposium on Biomedical produced by a recombinant Escherichia col.Int J Biol Macro- Materials.Hong Kong,2001:337 molec,1999,25:87 [8]陈中华，聚羟基烷酸酯生物活性复合材料的改性与研究 [15]Regina M.Filgueiras T,LaTorre G.et al.Solution effects on [学位论文].广州：广州华南理工大学，2004 the surface reaction of three bioactive glass compostions.J [9]Ni J,Wang M.In vitro evaluation of hydroxyapatite rein Biomed Mater Res,1993,27:1485 forced polyhydroxybutyrate composite.Mater Sci Eng C. [16]Pereira MM,Clark A E.Hench LL.Calcium phosphate for- 2002,20:101 mation on sol-gel-derived bioactive glasses in vitro.J Biomed [10]Roether J A,Boccaccini A R.Hench LL,et al.Development Mater Res,1994,28:693 Biomineralization of three kinds of porous composites for bone tissue engineering scaffolds in simulated body fluid ZHENG Yudong,WANG Yingjun2),CHEN Zhonghua2),CHEN Xiaofen2,WU Gang?,XIE Jianzin) 1)Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Materials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China ABSTRACT Three kinds of porous composites based on poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV)and bioactive glass(BG),tricalcium phosphate (TCP),hydroxyapatite (HA)respectively were prepared for born tissue engineering scaffolds.The chemical reactions and in vitro degradation of PHBV/ BG,PHBV/TCP and PHBV/HA porous materials under physiological condition were assessed and com- pared.The changes in surface micromorphology,composition and structure of the composite scaffolds were investigated before and after immersed in simulated body fluid (SBF)solution.It was found that biodegra- dation occurred for three kinds of scaffolds which led to the weight loss of the scaffolds after immersed in SBF solution.The biomineralized reaction and ion exchange reaction occurred in PHBV/BG and PHBV/ TCP scaffolds in SBF solution,and the mineralized layer formed on the surface of those scaffolds which was analyzed as hydroxyl carbonate apatite (HCA).There was little biomineralized reaction appeared on PHBV/HA scaffolds during immersed in SBF sulotion. KEY WORDS biomineralization;polyhydroxyalkonate;bioactive glass;B-tricalcium phosphate;hydrox- yapatite;simulated body fluid

心 郑裕东等 几种骨组织工程复合支架材料在模拟生理溶液中的生物矿化性能比较 《记 怡 以 ， ， 反战 吧 场 ， ， 认 ， 田 运 ， ， ， 凡气 主 昭 如 南 滋 飞 ， 比 ， ， 〔 ， 呢 ， 公 山 称 盯 讲 让 目 ， ， 〔 郑裕东 钟青华 ， 马文石 用活性污泥生物合成聚羚基烧酸 酿的结构表征 高称学校化学学报 ， 呀 ， ， 一 找 记 哪 卯 肠 砚认 巧飞 斌 即 ， 【 陈中华 聚 轻 基烷 酸醋生 物活性复合材 料 的 改性与研 究 【学位论文 广州 广州华南理工大学 ， ， 叨 叩 ， ， ， 〕 二 ， ， 心 】 已 呀 昭 叩 以 目 ， ， 〕 ， ， ， 玉 以 ， ， 〔 郑裕东 ， 王迎军 ， 任耀彬 ， 等 旧 一 骨组 织 工程支架材料在模拟生理溶液 中的化学反应研究 高等学 校化学学报 ， ， 〔 ， ， 二 卯纷 一 衍 抑砚 ， ， ， ， 七 功 己 一 一 〔 一 卜 二 卿 成 盛 · ， ， 〕 班 ， 瑙 ， ， 豁 翻 ， ， ， 阮 ， “ 这 卜 卜 巧 】 胎 拍 目 川 五 汉 ， 长 蔚 。 ， 月万 殊 。 。 ’ ， 爪 。 ， 口 俞鳍 ， 正 艺 吃 】 ， 昭 ， 吨 ， 二 吃 呢 ， ， ， 卯 一 一 一 尹 ， ， ， ， ， 吃 · 芍 尽 一