仿生化硅橡膠基羥基磷灰石涂層材料的研制與性能檢測(cè)

1、仿生化硅橡膠基羥基磷灰石涂層材料的研制與性能檢測(cè)王一丞，張一鳴，石小花，楊 芷，王韶亮，樊東力（400037重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院整形美容外科）摘要 目的 制作硅橡膠基羥基磷灰石涂層材料優(yōu)化其技術(shù)參數(shù)，并對(duì)涂層材料進(jìn)行形貌觀察和理化性能檢測(cè)。方法 將粉末狀羥基磷灰石（HA-1， 粒徑40 m）和顆粒狀羥基磷灰石（HA-2，粒徑150 m）噴涂于硅橡膠（Silicon rubber，SR）表面，制備出兩種涂層材料（HA-1/SR）和（HA-2/SR），使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)材料生物力學(xué)性能，并采用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）、傅立葉紅外光譜（F

2、ourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR）、X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）技術(shù)對(duì)材料的表面性能進(jìn)行檢測(cè)，將所得數(shù)據(jù)用SPSS13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果 SEM觀察見HA均勻涂布在SR表面，粘著緊密；FTIR和XPS檢測(cè)結(jié)果表明：HA與SR屬于物理性結(jié)合，未破壞兩者的化學(xué)結(jié)構(gòu)；在理化性能檢測(cè)中，HA/SR的邵氏硬度、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率與SR相比明顯降低（P0.05），但符合臨床應(yīng)用要求。結(jié)論 HA/SR涂層材料的理化性能滿足臨床使用要求，且HA分布于材料表面會(huì)使其具有良好的生物相容性，

3、可望作為一種理想的軟組織填充材料。關(guān)鍵詞 硅橡膠；羥基磷灰石；表面涂層；物理性能；表面性質(zhì)Preparation and evaluation of a new biomimetic material-silicone rubber coated by hydroxyapatite Wang Yicheng， Zhang Yiming， Shi Xiaohua，Yang Zhi ，Wang Shaoling， Fan Dongli （Department of Plastic and Cosmetic Surgery， Xinqiao Hospital， Third Military Medi

4、cal University， Chongqing 400037，China）Abstract Objective Preparing a new biomimetic material-silicone rubber coated by hydroxyapatite (HA/SR) and optimizing the technique parameter，as well as evaluating its topography and physicochemical properties. Methods Silicon rubber was coated by HA powder （H

5、A-1，particle diameter 40 m） and HA particles （HA-2，particle diameter 150 m）， which were named HA-1/SR and HA-2/SR. The mechanical properties were evaluated by an electronic universal material testing instrument. The Scanning electron microscopy （SEM）、Fourier transform infrared spectrometry （FTIR） an

6、d X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）were used to analyze the material surface properties. We used SPSS 13.0 for statistical analyze. Results Hydroxyapatite was uniformly coated on the surface of SR. Using SEM we found that HA and SR attached tightly. FTIR and XPS illustrated that the physically

7、binding did not destroy the chemical constitution of HA and SR. Even the Shore hardness，tensile strength，and elongation at break of HA/SR were significantly decrease comparing with SR (P0.05), HA/SR still can meet the clinical demand. Conclusion Although some physical properties were significantly c

8、hanged, HA/SR can still meet clinical demands. In addition, HA/SR may be more suitable as a soft-tissue implant than SR and has the potential to be used in plastic surgery as HA has good biocompatibility.Key word Silicone rubber； Hydroxyapatite； surface coating； physical property； surface property S

9、upported by the National Natural Science Foundation of China（81071574）；Supported by the National Natural Science Foundation of Chongqing（CSTC，2009BB5163）.Corresponding author：Fan Dongli，Tel：E-mail： fdltmmu；Wang Shaoliang，TelE-mail： wangsl318基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金（81071574），重慶市自然科學(xué)基

10、金（CSTC，2009BB5163）通訊作者 樊東力，電話（023）68774647，E-mail：fdltmmu王韶亮，電話（023）68774647，E-mail：wangsl318在整形外科臨床實(shí)踐過程中，多種生物材料被應(yīng)用于組織缺損的修復(fù)，以及體表輪廓的再塑形1，其中以羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）和硅橡膠（Silicon rubber，SR）較常見。HA屬于鈣磷陶瓷類生物材料2，長(zhǎng)期被應(yīng)用于頜面部填充3、小范圍骨缺損修復(fù)4等，HA和天然骨成分一致，其化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性極佳5，但其質(zhì)脆、不易塑形，因此，在臨床上應(yīng)用范圍受限。SR是一種以聚硅氧烷為主鏈的醫(yī)用高分子材

11、料，它具有穩(wěn)定的理化性能、不易被體液腐蝕、質(zhì)柔韌、易于加工和消毒等特點(diǎn)6-7，長(zhǎng)期被用于軟組織填充手術(shù)，是整形外科目前最為常用的材料之一。但SR生物相容性較差，植入體內(nèi)后，組織不能長(zhǎng)入而形成包膜，易導(dǎo)致材料的變形移位，并且感染發(fā)生率較高8。因此，本課題組在前期研究的基礎(chǔ)上9，采用涂層法，將羥基磷灰石（HA）噴涂于硫化階段的SR膠料上，以人工合成的HA模仿生理狀態(tài)下的天然骨成分，以期得到兼具SR良好生物力學(xué)性能和HA優(yōu)良生物相容性的硅橡膠基羥基磷灰石涂層材料（HA/SR），并對(duì)其物理機(jī)械性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。1 材料與方法1.1材料及儀器雙組份醫(yī)用液體硅橡膠（SR），由深圳市凱沃特有機(jī)硅材料有限公

12、司提供；復(fù)合材料中羥基磷灰石（HA）包括粉末狀（HA-1）粒徑為40 m、顆粒狀（HA-2）粒徑為150 m，由四川大學(xué)國(guó)家生物材料研究中心制備并提供。SY.26-D邵氏A型硬度計(jì)（北京卓川電子科技有限公司）；RGT-5A微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（深圳瑞格爾公司）；AMRAY1000-B20KV掃描電鏡（AMRAY公司，美國(guó)）；470型傅氏紅外光譜儀（尼高力公司，美國(guó)）；ESCALAB250型X射線光電子能譜分析儀（Thermo公司，美國(guó)）；真空泵、電熱恒溫培養(yǎng)箱。1.2 方法1.2.1硅橡膠的制備 在室溫為20 、濕度為50%的條件下，將雙組份醫(yī)用液態(tài)硅橡膠（各10 ml）按1：1比例混合，攪

13、拌均勻，注入金屬平板模具（100 mm100 mm2 mm）中，放置在0.1 MPa條件的真空泵中30 min后取出，室溫靜置硫化、固化5.5 h，固化完全后選擇表面平整光滑、無(wú)缺損、無(wú)明顯雜質(zhì)的材料進(jìn)行試驗(yàn)。1.2.2涂層材料的制備 在相同條件下，將雙組份醫(yī)用液態(tài)硅橡膠膠料（各10 ml）等比例混合均勻后，注入平板模具中，利用真空泵對(duì)其進(jìn)行30 min排氣處理后，靜置于室溫下固化5 h，將羥基磷灰石粉末和顆粒（各1 g）分別使用自制噴涂器均勻地噴涂于材料表面上，得到HA-1/SR（粉末狀）和HA-2/SR（顆粒狀），30 min后固化完全，選擇分布均勻、表面平整、無(wú)缺損的材料進(jìn)行檢測(cè)。1.2

14、.3微觀形貌電鏡觀察 分別切取大小為10 mm10 mm2 mm的純SR、HA-1/SR和HA-2/SR三種材料于37孵箱干燥后，置入真空泵中，在負(fù)壓狀態(tài)下向表面噴金鍍膜，待其冷卻后，使用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行觀察。1.2.4 傅立葉紅外光譜（FTIR） 將三種檢測(cè)材料剪裁成15 mm10 mm2 mm大小，使用無(wú)水乙醇發(fā)復(fù)擦拭材料，待乙醇蒸發(fā)、樣品干燥后即可用于檢測(cè)。在FTIR試驗(yàn)中，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為4000400 cm-1，通過光譜采集對(duì)涂層材料的表面成分進(jìn)行測(cè)定。1.2.5 X-射線光電子能譜分析（XPS） 將剪切成10 mm10 mm2 mm大小的三種材料經(jīng)過75%乙醇

15、浸泡清洗后進(jìn)行真空加熱去除樣品表面污物，粘附在樣品托上進(jìn)行測(cè)定，分析材料表面的化學(xué)組成。1.2.6涂層材料硬度測(cè)試 按照硫化橡膠邵氏A硬度試驗(yàn)方法（GB/T531-1992）10進(jìn)行檢測(cè)。將試樣置于75%醫(yī)用酒精中浸泡3 min，去離子水超聲振蕩15 min，50 溫箱內(nèi)烘干，將3張?jiān)嚇又丿B，試樣下墊置厚度為5 mm以上的光滑、平整的金屬板；測(cè)試點(diǎn)間距大于6 mm，與試樣邊緣距離20 mm；當(dāng)硬度計(jì)底面與試樣表面平穩(wěn)完全接合時(shí)起1 s內(nèi)讀數(shù)，每個(gè)試樣的測(cè)量點(diǎn)不少于3點(diǎn)，取測(cè)定值中位數(shù)為測(cè)量結(jié)果。 1.2.7生物力學(xué)檢測(cè) 按照硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定（GB/T528-1998）

16、11進(jìn)行檢測(cè)，將試樣形狀設(shè)計(jì)為啞鈴狀（圖1）。固定于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，開始檢測(cè)前需做3次預(yù)拉伸，速度為30 mm/min，力度小于2 N。測(cè)定項(xiàng)目包括：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率。A：75 mm B：12.5 mm C：25 mm D：4 mm E：8mm F：12.5 mm圖1 SR與HA-SR待測(cè)材料生物力學(xué)檢測(cè)的剪裁試樣1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以s表示，使用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析LSD檢驗(yàn)。2 結(jié)果2.1 純SR、HA-1/SR與HA-2/SR的形貌及表面微觀結(jié)構(gòu)肉眼可見，純SR無(wú)色、透明（圖 2A），而HA-1/SR（圖 2B）和HA-2/SR（圖

17、2C）可見大量白色的羥基磷灰石分布在SR表面。掃描電鏡觀察，純SR表面平整、光滑、無(wú)雜質(zhì)（圖 3A）, HA-1/SR表面可見大量粒徑較小的羥基磷灰石顆粒，粘著緊密（圖 3B）。HA-2/SR表面粘著的羥基磷灰石顆粒粒徑較大，與HA-1/SR相比，密度較低（圖 3C）。A：純SR；B：HA-1/SR；C：HA-2/SR圖2 SR與HA-SR大體觀察 A：純SR；B：HA-1/SR；C：HA-2/SR圖3 掃描電鏡觀察SR與HA-SR的微觀形態(tài)（ 100）2.2純SR、HA-1/SR與HA-2/SR的FTIR檢測(cè)結(jié)果由圖4可見，純SR、HA-1/SR與HA-2/SR中-CH3成分的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)

18、的吸收峰均在（29621）cm-1內(nèi)；Si-O（-C）的衍射峰為（10801）cm-1；-OH的彎曲振動(dòng)為（68010）cm-1；（14121）cm-1為CO32-的衍射峰，而在HA-1/SR和HA-2/SR圖譜中，由于HA僅噴涂于SR表面，含量少，所以，PO43-的對(duì)應(yīng)波形在（9501200） cm-1范圍內(nèi)差異不大。A：純SR；B：HA-1/SR；C：HA-2/SR圖4 傅立葉紅外光譜對(duì)SR與HA-SR化學(xué)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)2.3純SR、HA-1/SR和HA-2/SR表面成分分析。SR的主要成分是碳、硅、氧元素（C、Si、O），根據(jù)C、Si、O的含量判斷HA-1/SR和HA-2/SR的化學(xué)組成是否

19、有改變。從表1看出，HA-1/SR中C元素有所降低。XPS圖譜分析，純SR（圖 5A）中C1s、Si2p、O1s的峰值與HA-1/SR（圖 5B）和HA-2/SR（圖 5C）的峰值比較，波動(dòng)范圍0.1 eV，無(wú)明顯差異。而HA-1/SR和HA-2/SR中鈣、磷元素（Ca、P）對(duì)應(yīng)的譜峰不明顯。表1 XPS檢測(cè)SR與HA-SR表面的碳、硅、氧元素的含量（At.%）組別 碳 硅 氧 SR 45.52 29.45 25.02 HA-1/SR 42.62 30.57 26.81 HA-2/SR 45.05 29.26 25.70 A：純SR；B：HA-1/SR；C：HA-2/SR圖5 X射線光電子能譜

20、對(duì)SR與HA-SR的化學(xué)分析2.4 純SR、HA-1/SR和HA-2/SR的邵氏硬度及生物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果從表2中看出，SR分別與HA-1/SR和HA-2/SR在邵氏硬度、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率方面進(jìn)行比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P0.05），而HA-1/SR與HA-2/SR之間比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P0.05）。表2 SR與HA-SR的邵氏硬度和生物力學(xué)檢測(cè)結(jié)果（n=10，s）組別 邵氏硬度 抗拉強(qiáng)度 斷裂伸長(zhǎng)率SR對(duì)照組 31.462.05 2.970.60 450.6263.89HA-1/SR組 28.141.83a 1.880.12a 327.7615.72aHA-2/SR組 26.

21、851.26a 1.630.15a 309.1615.92aa：P0.05，與SR對(duì)照組比較3 討論體表組織器官的畸形和缺損主要依靠外科手術(shù)方法將軟組織填充材料植入進(jìn)行矯正 12。傳統(tǒng)材料SR具有良好的理化穩(wěn)定性、生理惰性、耐腐蝕、易加工，目前在臨床廣泛應(yīng)用13。但由于SR生物相容性差，組織無(wú)法長(zhǎng)入而在材料表面形成纖維包膜，可造成假體變形、移位，甚至皮膚破潰和感染14。因此，需要對(duì)SR進(jìn)行表面改性，獲得具有良好生物相容性的復(fù)合材料。在前期研究中，課題組使用共混法將SR與HA和另一種鈣磷陶瓷-磷酸三鈣（-TCP）進(jìn)行共價(jià)交聯(lián)復(fù)合，得到了新型軟組織填充材料，適用于需要對(duì)植入材料進(jìn)行雕刻塑形的部位1

22、5。在此基礎(chǔ)上，本研究將HA噴涂于SR表面，得到硅橡膠基羥基磷灰石涂層材料（HA/SR），并對(duì)其機(jī)械和表面性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。SR在室溫（20 ）下，完全固化需要6 h，且固化時(shí)間與溫度成反比。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠料真空排氣30 min后靜置5 h，為HA的最佳的噴涂時(shí)間，可使得HA既分布于SR的表層，又能緊密的結(jié)合。SR、HA-1/SR和HA-2/SR經(jīng)過清洗干燥、噴金鍍膜等表面處理后，仍可觀察到大量HA分布在SR表面（圖 3），證實(shí)HA與SR粘附較為牢固。經(jīng)FTIR分析（圖 4），SR、HA-1/SR和HA-2/SR中-CH3、Si-O（-C）、-OH、CO32-所對(duì)應(yīng)的峰值無(wú)顯著變化，說(shuō)明HA與

23、SR屬于物理性結(jié)合，未破壞SR的官能團(tuán)。HA為磷酸鈣的氫氧化合物，分子式為Ca10（PO4）6（OH）216，但HA-1/SR和HA-2/SR中Ca2+、PO43-的對(duì)應(yīng)波形與SR相比差異不明顯，可見HA與SR屬于物理性結(jié)合。XPS檢測(cè)圖譜顯示，HA-1/SR與SR、HA-2/SR相比，O、Si的百分比增加，C的百分比下降，可能由于HA-1的粒徑小于HA-2，相比表面積增大，與SR形成了少量的化學(xué)鍵合，破壞了SR的-CH3鍵，導(dǎo)致C的百分比下降。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)HA-1/SR和HA-2/SR中，Ca、P元素的對(duì)應(yīng)點(diǎn)未出現(xiàn)明顯波峰，這與FTIR的結(jié)果一致，可能是由于HA未與SR形成明顯的化學(xué)鍵合所致。

24、理想的填充材料硬度（邵氏A） 為2535單位17，材料過軟和過硬均會(huì)影響臨床使用效果。本研究中制作的涂層材料HA-1/SR和HA-2/SR，其邵氏A硬度均符合軟組織填充材料的硬度要求。制作過程中發(fā)現(xiàn)，可通過調(diào)節(jié)SR固化時(shí)所處溫度而在小范圍內(nèi)改變其硬度，溫度越高，所得材料硬度越小。對(duì)填充材料的生物力學(xué)測(cè)定，包括抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等18，發(fā)現(xiàn)雖然HA-1/SR和HA-2/SR的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率與SR比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)，所測(cè)得的結(jié)果仍滿足臨床的應(yīng)用要求。綜上所述，純SR、HA-1/SR、HA-2/SR三種生物填充材料理化性能相似，經(jīng)過SEM觀察、FTIR和XPS

25、分析，三種材料的檢測(cè)結(jié)果亦無(wú)明顯差異，而HA-1/SR和HA-2/SR的邵氏硬度、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率與SR比較，雖然差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但仍符合軟組織填充材料的要求。由于HA具有極佳的生物相容性，與組織結(jié)合能力強(qiáng)，因此，涂層材料HA/SR和SR相比，具有良好的組織相容性，進(jìn)一步研究中，我們將對(duì)HA/SR的生物學(xué)性能進(jìn)行研究，評(píng)估其應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1 Unger R E，Sartoris A，Peters K，et al. Tissue-like self-assembly in cocultures of endothelial cells and osteoblasts and the

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