2、论文格式范例

可降解磷酸钙生物陶瓷研究的进展

余益凤、张政、黄磊

摘要：磷酸钙类陶瓷的成分与骨矿物组成类似 ,生物相容性好 ,被视为典型的生物陶瓷。本文综述了多孔生物陶瓷的制备工艺 ,同时介绍了对生物降解陶瓷主要的研究方法 ,包括体外模拟实验及体内埋植实验。最后总结了国内外关于生物降解陶瓷研究的理论成果。

关键词：磷酸钙陶瓷制备工艺生物降解

引言

生物医用材料是一类人工或天然材料 , 可以单独或与药物一起制成部件 , 用于组织和器官的治疗或替代 ,并在使用期内不会对宿主引起急性或慢性危害。 70 年代以来 , 生物玻璃的出现 , 为医用无机生物材料的发展开辟了新的领域。生物陶瓷是用来达到特定的生物或生理功能的陶瓷材料 ,它包括 : 接近惰性的陶瓷材料 ; 可降解的陶瓷材料 ; 可控制表面活性的陶瓷材料。而生物降解陶瓷以其优异的特性脱颖而出 , 这种材料是可通过选择与人体骨组织中无机矿物十分近似的微孔材料 ,植入后 , 骨组织可向材料的孔内生长 , 材料通过体液溶解吸收或被代谢系统排出体外 , 最终使缺损的部位被新生的骨组织所取代 , 而植入的生物降解材料只起到临时支架作用。生物降解陶瓷主要包括α- TCP β- TCP 及羟基磷灰石 HAP 和它们的混合物 , , α其降解能力依次为 : - TCP >β - TCP > HAP 。理想的生物材料应具备以下的性能 : ①植入初期有足够的机械强度 ,能保持缺损骨的形态 ,为骨重建提供过渡性支架; ②生物相容性好 , 能活化或诱导骨生长 , 促进修复过程 ; ③降解速度与骨再生速度相匹配。随着新骨逐渐替代吸收的植入物 ,完成骨组织的自我修复 ,不必手术取出异物。

1多孔生物陶瓷的制备工艺

Ryshkenitch 最先研究了生物多孔陶瓷的制备工艺 [3 ] ,他将氧化物粉末制备成活性料浆 ( 即用 Al2 O3 或 ZrO2 配成含 0. 2 %聚乙烯醇 PVA 的水溶液 ) , 用 H2 O2溶液处理后 , 成功制得 ( 5 %～ 6 %) Al2 O3 或 ZrO2 的多孔坯体 ,并

缓慢升温至 1 850 ℃得到了多孔陶瓷。Klein 和同事们用同样的方法制备出了多孔 HA 多孔陶瓷。

应用原位替代法也可以制备出多孔生物陶瓷。如珊瑚是由海底无脊椎动物在海水中吸取钙和碳酸盐并自然结合成石灰石母体而制得 ,CaCO3 珊瑚骨架本身就是一种多孔结构 ,利用其与 (NH4 ) 2 HPO4 在热液中发生 PO4 3- 和 CO3 2- 阴离子的交换反应 ,而使珊瑚转变为 HA ,研究结果表明能在珊瑚原位置产生多孔结构( ～ 65 %) 的羟基磷灰石生物陶瓷。

除此之外 ,盐析法也是一种重要的方法。研究者首先制备出 HA 或β- TCP 粉末 ,然后加入一定量的粘结剂和适当颗粒度的盐 ,经过成形和烧结后 ,再在沸水中煮 ,使其中的盐析出而得到多孔的生物陶瓷。但是这种方法的缺陷在于制备的材料体积不能太大 , 否则材料内部的盐有可能煮不出来 ,从而影响材料的性能。

而 Oagur Engin 则采用在水溶液中通过氨水控制 pH 值制备出β- TCP 或羟基磷灰石前驱体。再以柠檬酸钠和磷酸钠作为缓冲溶液 ,加入甲基纤维素 ,利用有机物的聚合反应制备出具有一定强度的陶瓷坯体 , 最后逐渐升温充分去掉有机质后即制备出多孔 ( 气孔率为 70 %～90 %) 的羟基磷灰石或β- TCP 生物陶瓷。

2 生物降解的研究方法

对生物降解陶瓷的研究主要集中在 3 大热点 : ①生物降解陶瓷的生物相容性和生物活性的研究 ; ②生物降解陶瓷在体内的降解机理和代谢过程的研究 ; ③生物降解陶瓷的骨诱导性 , 即是否能诱导骨生长。要达到以上的研究目的 , 国内外学者普遍采用的实验方法主要有以下 3 种。

2. 1 生物学性能实验

生物学性能实验着重检查生物陶瓷材料的相容性及其安全性。它主要包括 : ①急性毒性实验 ; ②亚急性毒性实验 ; ③肌肉刺激实验 ; ④溶血实验 ; ⑤沙门氏菌致突变实验 ; ⑥骨内埋植实验。通过以上 6 项生物控制性检测指标 ,可以观察生物材料是否会产生全身或局部毒性反应 ,是否会致溶血及引起炎性和排斥反应 , 是否会致突变 ,从而判定该材料的生物相容性的好坏。此外 ,体外细胞学实验也可观察各种离体细胞在陶瓷表面附着、增殖情况、形态变异、吞筮反应 ,有无诱发或抑制反应 ,它可以提供陶瓷生物相容性及降解性的信号。

2. 2 体外模拟实验

选择具有一定 pH 值的溶液 , 模拟生理环境 , 如 : 去离子水 ,生理盐水 , 含有有机酸盐的缓冲溶液 , 含酶或氨基酸溶液 , 模拟体液等。改变溶液的酸度、浓度、温度、组成固液比例等实验条件 , 可以观察到陶瓷溶解度、、失重浸出成分、表面结构、相成分等变化 , 从而建立降解过程的动力学模型。

体外模拟实验不能代替体内植入实验。但是 , 由于此法可以有目的的设计实验体系 ,选择实验参数 ,实验条件易控制 ,重复性好 , 可同时监测大批试样 , 目前仍被广泛使用。模拟体液的成分各种各样 , 这里提供其中的一种如表 1 所示。

按配方称取试剂 ( 精确到 0. 001 g) ,逐样充分溶于蒸馏水中并稀释至 500 ml , 在恒温箱内控制 T = 36. 5 ℃,用 50 mM 缓血酸胺和 1 M 盐酸适量滴入 ,缓冲 SBF 至 pH = 7. 25 ,pH 值由精密酸度计监测。

2. 3 体内实验

体内实验是将陶瓷材料样品埋植在动物骨内、骨膜下以及肌肉中 , 建立动物实验模型。于不同实验周期 ,考察植入体的外形尺寸 , 界面消涨变化、光密度变化 ,通常采用接近 X 射线显微摄影术测量。普通 X 光片图像清晰度不高 , 图像难以判断。组织学切片仍是有效的方法 ,它可以在光学显微镜、荧光显微镜下获得细胞学、生物学的有用信息。更可配合扫描电镜、透射电镜获得植入材料超微结构信息 ,如界面区分布 ,结构变化等情况。

采用 Ca 同位素示踪法是国内外常见的研究方法之一。这种方法的优点在于 : ①研究的对象主要是由 Ca 、元素组成 ,标记物质不会对材料产生影响。② P 通过对放射活度的测量 , 可以了解 Ca 的分布与去向。然而 ,这种方法也有其不足之处 , 最大缺点在于 : 取出的样品标本带有放射性 , 因而不能采用常规的测量手段进行观察 ( 例如扫描电镜、透射电镜等) ,以免对仪器造成污染。其次就是实验过程比较麻烦 , 需要有专门的设备。Klein 和 Hellander 曾采用此方法研究了β- TCP 陶瓷在植入犬股骨后的降解以及代谢过程。

放射自显影技术是利用放射性核素的电离辐射能使照相乳胶感光的作用 , 显示标本或样品中的放射性分布 ,从而进行放射核素的定位和定量测量的方法。其优点是 : ①可以测量样品中放射性物质的分布情况 , 准确定位 ,显示形态与功能的关系 ,这是一般的记数管测量仪难以做到的。②能够一目了然的在整体平面上观察和比较注入体内的标记物在器官和组织内的分布与代谢状态。③与生化分离分析技术相结合 , 能够准确分析极微量的特定物质。④研究细胞内物质的代谢 ,可以进行长期的记录。⑤灵敏度高 , 操作方法简便。发射自显影技术的缺点是一般只能作比较性的相对测量 ,即定性分析 ,很难做绝对的定量测量。天津市口腔医院生物医学工程研究室的姚晖等曾采用此方法做过骨缺损修复的研究。

四环素荧光示踪法 : 四环素类药物是一种无毒、非放射性荧光染料 ,能选择性的整合入新骨组织中 ,与羟基磷灰石的钙离子相结合 , 形成较为稳定的螯合物。在非脱钙切片或磨片上 , 经一定波长的紫外光可激发出黄绿色荧光 ,从而显示新骨组织的生长部位。四环素荧光标记示踪法简易、可靠 ,目前已被广泛应用于骨生长代谢、新骨生长定位及速率测定等方面的研究中。华西医科大学的费伟等曾做过类似的研究。

3 国内外的主要理论成就

对生物降解陶瓷的研究 , 早期集中于陶瓷本身的材料结构对陶瓷降解性能的影响 , 随后则开始研究陶瓷的降解机理及其骨诱导性 , 并在此基础上试图了解控制降解过程以及指导实际应用等方面的问题。

3. 1 陶瓷的组成及结构对降解的影响

陶瓷的宏观结构 , 尤其是气孔尺寸、连通程度、孔隙度等对陶瓷的降解有显著影响。如法国学者卢建熙认为多孔陶瓷的两大微结构对细胞的侵入极为重要 , 即孔径以及孔和孔之间的连接桥。有研究表明 : 孔径大于 10μ , 能使细胞长入孔内 ;15～ 50μ, 可形成纤 m m 维组织 ;50～100μ可形成类骨样组织 ; 而大于150μm m 以上 ,在陶瓷孔内可形成矿化骨。与此同时他还对连接桥与材料生物效应关系进行了定量研究 , 揭示了最佳连接桥长度等指标。研究表明 : 连接桥大于20μ m 就能使成骨细胞长入 , 并在孔内繁殖 ; 连接桥在 20 ～ 50μ之间 ,能使成骨细胞长入并形成类软骨组织和 m 成骨样组织 ; 但如果要形成矿化骨 , 其大小必须大于 m 50μ。

K lein 研究发现含 60 %微孔 ( 孔径 d < 5μ ) 的β m TCP 植入 3 ～ 6 个月有明显吸收 , 而含有大孔 ( 200 ～ 500μ) 者吸收不明显 ,反应滞后至少 2 个月。微孔陶 m 瓷周围骨髓腔中出现大量的巨噬细胞及多核破骨细胞 ,它们的吞噬作用导致陶瓷吸收。Klein 认为 , 烧结陶瓷的微粒间相互连接的部分 , 是陶瓷溶解的薄弱环节 ,决定了陶瓷粒子的分散能力 ,称为瓶颈效应。它与陶瓷制备工艺有关。

Z. Strinad 研究发现 , 陶瓷的形态 ( 颗粒 , 粉末或致密块) 、结晶度、晶格缺陷、比表面积等 , 也影响降解。在低结晶度陶瓷或微晶玻璃中 , 若结构的连续相是无定形相 ,且溶解度高 , 它将导致结晶相变疏松 , 促进降解。反之 ,若连续相是结晶相 ,则不利于降解。在微晶玻璃中残存的玻璃相影响其化学稳定性及生物活性。

3. 2 生物陶瓷的降解机理

各国学者对以磷酸钙陶瓷为代表的生物降解陶瓷的降解机理做了广泛探讨 ,但

尚未取得一致认识 ,代表性的观点有以下几种 :

K lein De Groot 的观点 : ①陶瓷从表面开始溶解、膨胀 ,使结构疏松 , 粒子被分散 , 表面积迅速扩大。②成纤维细胞、多核细胞、巨噬细胞聚集于陶瓷表面 , 吞噬陶瓷粒子 , 随着体液转送至体内各部分 , 进入体内钙库 ,参与循环。③降解首先从骨髓腔附近开始 ,残留的陶瓷颗粒较植入区少。④降解的陶瓷微粒会在巨噬细胞内引起血浆细胞的单核反应 ,对新生骨有激活能力。

Le Gros 将降解条件综合为 3 种因素 : ①物理因素 : 体液冲蚀、磨耗 ,致使陶瓷碎裂或崩解 ,使陶瓷粒子分散。②化学因素 : 溶解 ,局部钙离子浓度过饱和产生新晶相 ,或出现无定形物。③生物学因素 : 破骨细胞、吞噬细胞作用于陶瓷会降低体液 pH 值 , 产生某些活性物质 ,增加陶瓷降解速度。

中国科学院光电技术研究所的黄占杰则认为 , 在体内复杂的生理环境下 ,有2 种过程可能在起作用 : 一是陶瓷被分散为微粒或碎片 , 随后被细胞吞噬、转移 ; 二是陶瓷溶解 ,析出离子 , 转移到组织液中 , 沉积成为新晶相。

武汉理工大学的李世普教授等人研究认为 : ① TCP 在体内的降解途径有 2 种 : 体液溶解和细胞介导降解。而细胞介导降解的方式又分为胞外和胞内 2 种方式。参与降解的细胞可能有破骨细胞和吞噬细胞。② 3 ( PO4 ) 2 解离是钙磷人工骨生物转化的基础 ,而无 Ca 机磷酸的活化是降解材料参与生命过程的核心。由于磷的特殊性 ,在其参与生命活动的过程中 ,某些含磷的生物分子可以抑制Ca 、结晶 ,以防产生沉积 ,如 ATP 、 P 2+ Ppi 、磷蛋白等。③ TCP 陶瓷产生的 Ca 与通过其他途 2+ 径进入体内的 Ca 一样 , 参与正常代谢。它们进入血液并分布到全身 , 一部分通过肝、肾等脏器组织从尿、粪中排泄 ,一部分储存于钙库 ,参与新骨的组成。

3. 3 磷酸钙陶瓷的骨诱导性

关于磷酸钙类陶瓷的骨诱导性问题的提出 , 是近年来的热点之一。各个学者都提出了自已的观点。 Yamaxhaki 发现 , 多孔羟基磷灰石颗粒具有此能力 , 而致密体则没有。四川大学的张兴栋教授等则认为β : TCP 没有骨诱导性 ,但其降解速度较快 ,HAP 具有骨诱导性 ,但其降解速度较慢。因此他认为β- TCP∏ HAP 的复合材料是一种较理想的生物降解材料。但是另有β一些学者则认为 HAP 、 - TCP 都没有骨诱导性 , 骨诱导性来源于 bmp - 骨生长蛋白。对这些相互矛盾的观点有待深入研究。

4 结论展望

磷酸钙类陶瓷具有很好的生物相容性 , 能与骨直接结合 ,是良好的骨修复材料。但是其疲劳强度低 ,脆性大 ,抗折及抗冲击性能远不能满足高负荷人工骨要求。如何利用磷酸钙类陶瓷的生物降解性能 , 研制新型的可控降解陶瓷是极富吸

引力的课题。当前对β-TCP 及其衍生物的研究集中于降解机理问题 , 今后应重视陶瓷表面的活化及钝化技术 , 以实现控制降解速度 ,实现与骨再建匹配的目标。

探索新型降解陶瓷具有重大意义 , 应着重于以下几点的研究 : ①对生物陶瓷的降解机理的研究应着重于对磷酸钙陶瓷在体内从无生命到有生命的转变过程 ,即无机物的钙磷是如何转变成为生物体内的有机钙磷 ,其中是否存在一个晶相转变或晶型转变的过程及过程是如何进行的。②无论是何种磷酸钙类陶瓷 , 其单体纯相都有自己的优点和不足 , 着眼于生物陶瓷的应用前景 , 研究的重点应是复合材料 , 包括陶瓷∏ 陶瓷、陶瓷∏ 有机物以及陶瓷等复合材料 , 以适用于不同的使用目的。③在生物多孔材料的制备过程中 , 如何控制孔的直径也是一个关键性的问题 , 因为孔径与材料的性能密切相关。④对生物材料在体内的代谢过程的研究应注重于材料降解后其产物在体内的分布和代谢途径以及各分支的量的关系。

总之 ,生物降解材料作为一种生物医用材料具有广阔的应用前景。目前人们对生物降解材料的研究还有待进一步的深入和发展。

参考文献

致谢在此借论文完成之际，我衷心感谢大家。