王宏麗,陳風(fēng)雷,李 智,辛 瑩

(成都醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院,四川成都 610083)

0 引 言

關(guān)節(jié)軟骨的損傷和病變是骨科臨床常見(jiàn)疾病,由于關(guān)節(jié)軟骨組織自身修復(fù)能力極其有限,導(dǎo)致患者在軟骨損傷和缺失后往往不能自行修復(fù),因而其修復(fù)和功能重建是臨床外科十分重要的研究課題之一[1].組織工程化軟骨,具有取材方便,無(wú)免疫排斥反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),一直是關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)的研究熱點(diǎn),其中材料的選擇是組織工程化軟骨研究的關(guān)鍵[2-3].目前,在組織工程化軟骨材料的選擇中,人們多選用與軟骨生物力學(xué)性能相近的高彈性材料,如硅橡膠、聚氨酯、聚乳酸等作為原料[4-5].其中,硅橡膠不僅易磨損,而且易吸收體液中的油性物質(zhì)而短期老化失效;作為需長(zhǎng)期使用的植入材料,聚氨酯的降解性能有待進(jìn)一步改進(jìn),其固化劑二異氰酸酯的水解產(chǎn)物又是一種潛在的致癌物質(zhì).

近年來(lái),利用聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)水凝膠作為人工軟骨植入材料引起了科研人員的重視[6].PVA水凝膠具有類似天然軟骨的多微孔組織,內(nèi)含大量的水,是一種可滲透材料.在載荷作用下, PVA材料中擠出的液體被卷吸可作為潤(rùn)滑劑,其高含水性和表面結(jié)構(gòu)與天然軟骨組織非常相似[7].在透明質(zhì)酸潤(rùn)滑條件下,PVA水凝膠與人關(guān)節(jié)軟骨具有相似的摩擦學(xué)特性[8].與大多數(shù)合成材料一樣, PVA水凝膠雖然無(wú)毒,但缺乏生物活性,不能與骨組織形成生物性結(jié)合,無(wú)法實(shí)現(xiàn)與骨的長(zhǎng)久固定.羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-HA)是自然骨中主要的無(wú)機(jī)礦物成分,具有良好的生物相容性與生物活性,能夠與骨組織形成生物鍵合而被廣泛用于人體硬組織修復(fù)中,但其脆性較大,常與聚合物復(fù)合以提高其韌性和機(jī)械加工性能[9].研究發(fā)現(xiàn),海藻酸鈉(SA)溶液在鈣離子存在時(shí)可通過(guò)離子交聯(lián)反應(yīng)形成交聯(lián)的海藻酸鈣聚合物,具有良好的親水性,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)易于滲透擴(kuò)散,并且可在生物體內(nèi)降解生成甘露糖醛酸和葡萄糖醛酸單體,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的用途[10-11].據(jù)此,本研究綜合3種組分材料的優(yōu)點(diǎn),制備了一種n-HA/PVA/SA三元復(fù)合水凝膠材料,以期用于軟骨的修復(fù)和替換.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

實(shí)驗(yàn)所用材料包括:海藻酸鈉(黏度=600 mPa. S,食用級(jí)),由青島晶巖生物制品公司提供;n-HA晶體漿液由本實(shí)驗(yàn)室自制[12];PVA(分子量=125,999,分析純)和CaCl2(分析純)均由成都科龍化學(xué)試劑公司提供.

1.2 復(fù)合水凝膠制備

取適量PVA溶于90℃以上去離子水中配制成濃度為10 wt%的PVA水溶液.將溫度控制在50℃,按n-HA/PVA/SA不同比例稱取各組分,加入SA粉末,繼續(xù)攪拌2 h.然后將n-HA漿料加入到上述混合溶液中,70℃攪拌2 h后加入3 mL 3 wt%的CaCl2溶液,在800 rpm轉(zhuǎn)速下強(qiáng)烈攪拌20 min.脫泡后,將復(fù)合液倒入模具中,冷凍成型(溫度為-25℃,時(shí)間為6～12 h),然后將試樣于室溫下放置3 h解凍.上述冷凍、解凍過(guò)程反復(fù)進(jìn)行5次得到復(fù)合水凝膠試樣.

1.3 樣品測(cè)試

1.3.1 含水率.

用濾紙吸去復(fù)合水凝膠試樣表面的水分后稱重,得復(fù)合水凝膠試樣的濕重W1,然后將該試樣真空干燥后再稱重,得復(fù)合水凝膠試樣的干重W2.復(fù)合水凝膠的含水率(Cw)計(jì)算式為,

1.3.2 燃燒實(shí)驗(yàn).

將真空干燥后的復(fù)合水凝膠試樣取3個(gè)平行樣品置入馬弗爐中,于大氣環(huán)境下在800℃燒結(jié)4 h,完全燃燒其中的有機(jī)物,將殘留物(HA)稱重,記為W3,n-HA在復(fù)合水凝膠試樣中的百分含量(Wn-HA)用下式計(jì)算,

1.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察.

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生知道酒精脫色的原理和掌握酒精脫色方法；不用明火水浴加熱酒精，消除可能因操作不當(dāng)引發(fā)火災(zāi)的安全隱患；恒溫在酒精沸點(diǎn)之下加熱，避免酒精因沸騰飛濺出來(lái)意外傷到學(xué)生；全班共用一套儀器集中脫色，可以節(jié)省儀器、簡(jiǎn)化操作、便于課堂管理和安全監(jiān)控。

試樣經(jīng)冷凍干燥后,表面均勻噴涂厚度大約為10μm的金膜,用掃描電子顯微鏡(JSM-5900LV,日本)對(duì)樣品表面形貌和斷面的微觀形貌進(jìn)行觀察.

1.3.4 傅里葉變換紅外光譜(IR)分析.

將制備的復(fù)合水凝膠試樣碾磨、真空干燥、過(guò)200目篩后,用紅外光譜儀(Nicolet-170SX FTIR,PE公司),在波長(zhǎng)4 000 cm-1～400 cm-1范圍對(duì)試樣所含基團(tuán)進(jìn)行分析.

1.3.5 X射線衍射(XRD)分析.

將真空干燥后的復(fù)合水凝膠試樣粉末,用XRD射線衍射儀(Cu靶,石墨單色器)(DX-2500型,丹東)對(duì)樣品進(jìn)行晶態(tài)分析,掃描管電流/管電壓為40 kV/ 25 mA.

1.3.6 干凝膠吸水率的測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 均一性分析

2.1.1 含水率(Cw).

從實(shí)驗(yàn)所制備的復(fù)合水凝膠試樣中,隨機(jī)取3種,每種分為A、B、C 3份,分別測(cè)定其含水率,結(jié)果如表1所示.

表1 復(fù)合水凝膠試樣的含水率(Cw)

從表1數(shù)據(jù)可看出,水份在復(fù)合水凝膠試樣中含量均一.

2.1.2 燃燒實(shí)驗(yàn).

從實(shí)驗(yàn)所制備的復(fù)合水凝膠試樣中,隨機(jī)取3種,每種分為A、B、C 3份,按前述方法進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表2所示.

表2 復(fù)合水凝膠試樣燃燒實(shí)驗(yàn)中n-HA的百分含量

從表2數(shù)據(jù)可看出,在復(fù)合水凝膠試樣中,n-HA在材料不同部位的含量基本恒定,表明n-HA在復(fù)合水凝膠中分布均一,沒(méi)有發(fā)生相分離.

2.2 SEM觀察

n-HA/PVA/SA復(fù)合水凝膠試樣的SEM掃描結(jié)果如圖1所示.

圖1 n-HA/PVA/SA復(fù)合材料的SEM掃描照片

圖1(a)是實(shí)驗(yàn)所制備的比例為40/40/20的n-HA/PVA/SA復(fù)合水凝膠試樣冷凍干燥后的表面不同放大倍數(shù)的SEM照片,(b)是其縱切面的SEM照片.從圖1中可以看出,復(fù)合材料中無(wú)機(jī)相n-HA均勻地分散在SA和PVA形成的有機(jī)基質(zhì)中,2種有機(jī)相相互交織在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),無(wú)明顯界面.圖1在微觀上顯示了3相間分散均勻,相容良好,試樣具有大量類似天然軟骨的孔隙結(jié)構(gòu),孔的貫通性良好.該結(jié)構(gòu)不僅利于細(xì)胞的粘附與生長(zhǎng),而且可為細(xì)胞進(jìn)行物質(zhì)交換提供通道,使其具有較好的生物相容性.同時(shí),實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),復(fù)合水凝膠試樣在載荷作用下,液體可以滲入和擠出,從材料中擠出的液體被卷吸作為潤(rùn)滑劑.

2.3 IR分析

SA、PVA、n-HA及其復(fù)合材料試樣的紅外光譜如圖2所示.

圖2 各組分及復(fù)合材料試樣的紅外光譜

圖2(a)是純SA的紅外光譜,在波長(zhǎng)3 430 cm-1處附近的強(qiáng)峰是SA中-OH的伸縮振動(dòng)峰.這個(gè)峰在復(fù)合材料(見(jiàn)圖2(d))中移動(dòng)到波長(zhǎng)3 416 cm-1處,說(shuō)明復(fù)合材料中SA的羥基與PVA中的羥基之間可能形成了氫鍵.波長(zhǎng)1 625 cm-1和1 419 cm-1處的峰分別為SA中-COO-的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng).在復(fù)合材料中,由于SA的G單元中的-COO-和Ca2+之間形成蛋殼結(jié)構(gòu),峰向高頻方向移動(dòng)到波長(zhǎng)1 619 cm-1和1 422 cm-1處.從圖2(b)中可以看出,PVA羥基的伸縮振動(dòng)峰從波長(zhǎng)3 445 cm-1移動(dòng)到3 416 cm-1處,PVA在波長(zhǎng)2 925 cm-1和850 cm-1附近的峰均沒(méi)有發(fā)生位移,說(shuō)明復(fù)合材料中所含的PVA羥基之間發(fā)生了氫鍵鍵合,而其他基團(tuán)均沒(méi)有發(fā)生變化.從圖2中還發(fā)現(xiàn),SA和PVA中的-OH峰均發(fā)生了移動(dòng),顯示n-HA/PVA/SA復(fù)合材料中分子間和分子內(nèi)可能有氫鍵的存在,氫鍵的存在很大程度上提高了材料的機(jī)械性能.

2.4 XRD分析

SA、n-HA、PVA及其復(fù)合材料試樣的XRD圖譜如圖3所示.

圖3 各組分及復(fù)合材料試樣的XRD圖譜

SA是一種非晶態(tài)的高聚物,在圖3(a)中,2θ= 13.5°和21.8°處是SA的2個(gè)彌散寬峰,但該峰在復(fù)合材料中出現(xiàn)得不明顯.在圖3(b)中,2θ=19.3°處出現(xiàn)了PVA的特征峰,但在復(fù)合材料中,這2種高分子的特征峰都大幅減弱,這可能是n-HA、SA和PVA分子間存在相互作用,在界面上形成了新的化學(xué)鍵合.此外,n-HA的空間位阻效應(yīng)也可能破壞了SA和PVA分子鏈的排列方式,從而影響了高分子的結(jié)晶程度,2θ=25.9°,31.8°,32.2°,32.9°,34°和39.8°屬于HA的(002),(211),(112),(300),(202)和(310)晶相,在形成復(fù)合物后沒(méi)有發(fā)生明顯改變.

2.5 吸水率測(cè)定

圖4為含SA為20%,PVA和HA含量不同的5種干凝膠試樣的吸水率測(cè)定結(jié)果.

圖4 干凝膠試樣的吸水率

由圖4可看出,隨PVA含量增加,水凝膠復(fù)合材料的吸水率逐漸升高.這是因?yàn)镻VA的增加使有機(jī)網(wǎng)絡(luò)空間變大,所能容納的水分子增多.一般而言,人體各個(gè)部位的軟骨含水率各不相同,但含水率大致在60%～90%之間[13],而本研究制備的復(fù)合水凝膠材料的含水率完全可以控制在這個(gè)范圍內(nèi).

3 結(jié) 論

本研究采用溶液共混法制備了n-HA/PVA/SA三元復(fù)合水凝膠材料.實(shí)驗(yàn)表明:該復(fù)合材料各組分基團(tuán)間存在相互作用,各組分相容性良好,具有較高的均一性;可通過(guò)調(diào)控各組分的比例來(lái)調(diào)節(jié)復(fù)合材料的吸水率;由于SA可作為活性分子和藥物的載體,且具有可降解性,將其復(fù)合入材料中,為制備既可暫時(shí)替代又可緩釋藥物并引導(dǎo)軟骨再生的生物材料提供了一種新的思路.

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