多孔骨支架的制備

1、多孔骨支架的制備摘要：用甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）作為聚合本體，以偶氮二異丁腈（AIBN）為引發(fā)劑，在不同聚合溫度、聚合時(shí)間、引發(fā)劑的摩爾比以及質(zhì)量比為1的粉體（HAP、HCP）制備多孔骨支架。探討不同溫度、時(shí)間、引發(fā)劑、粉體比、超聲、這些變數(shù)對(duì)多孔骨支架的孔隙率和抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：隨著粉體與本體的比例增大支架強(qiáng)度增強(qiáng)，隨著殼聚糖（Cs）的含量增多支架強(qiáng)度減弱，隨著鹽（NaCl）的含量增多支架孔隙增大。關(guān)鍵詞：甲基丙烯酸縮水甘油酯 偶氮二異丁腈 骨支架 孔隙率Preparation of porous bone scaffoldAbstract: The bone scaffold

2、 was prepared with glycidyl methacrylate (GMA) as the bulk, azobisisobutyronitrile (AIBN) as initiator,under different polymerization temperature,polymerization time ,the molar ratio of initiator and the same mass ratio of the powder(HAP,HCP).It was discussed the impact of temperature 、time 、powder、

3、ultrasonic for the strength and porosity. The results show that: With the increase of the proportion of powder and body , the strength of Bone scaffold also increases,when the amount of chitosan increasing,the strength of bone scaffold reduce,and the amount of salt(NaCl) increasing the porosity will

4、 increase.Key words: GMA AIBN bone scaffold porosity前言人工骨支架是指用人工材料制造的人骨替代品或者骨折固定數(shù)據(jù)現(xiàn)在的人工骨設(shè)計(jì)不僅僅只限于宏觀形態(tài)的建模，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)同樣非常重要，研究發(fā)現(xiàn)人工骨支架的微細(xì)結(jié)構(gòu)影響移植人工骨支架的生物降解和重構(gòu)，同時(shí)研究表明孔隙分布和孔隙率大小決定決定生物支架是否可以成活1，因此，孔隙率的大小是衡量多孔骨支架的一個(gè)重要指標(biāo)，要在骨支架其它性能優(yōu)化的前提下最大程度地提高孔隙率。當(dāng)然，僅僅探討研究孔隙率一個(gè)因素還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，良好的骨支架材料應(yīng)該具有一定的力學(xué)強(qiáng)度2，要擁有足夠的機(jī)械性，滿足在體內(nèi)環(huán)境中的受力需

5、求。近年來(lái)發(fā)展了很多制備和加工組織工程支架材料的方法，主要有纖維粘結(jié)3、溶液澆鑄粒子瀝濾法4-5、熔融成型法6、氣體發(fā)泡法7-8、相分離融化法9、燒結(jié)微球法10、等。有人采用熱水法制備了納米羥基磷灰石（n-HA）及其與聚已內(nèi)酯（PCL）的復(fù)合材料,用實(shí)驗(yàn)微粒浸出法制備了復(fù)合材料支架11 。國(guó)內(nèi)有用羥基磷灰石粉末和無(wú)水乙醇制成漿料，然后，將漿料注入高分子模板。高分子模板是由帕拉膠微球(Paraffin microsphere)和NaCl粒子為原料制成的，用去離子水沖洗，以除去NaCl晶體12，這種制孔方法值得借鑒。本文通過(guò)以甲基丙烯酸縮水甘油酯酯作為聚合本體，運(yùn)用微粒浸出法制孔，改良制備骨支架的

6、方法，并對(duì)聚合條件溫度、時(shí)間、引發(fā)劑的摩爾比、超聲、粉體的量，遵循單一變量原則進(jìn)行多次試驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)得到的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。探索最佳的合成條件，最終提高骨支架的強(qiáng)度和孔隙率。1.實(shí)驗(yàn)部分1.1實(shí)驗(yàn)試劑納米羥基磷灰石（HAP）：上海阿拉丁有限公司；磷酸三鈣（HCP）：上海阿拉丁有限公司；偶氮二異丁氰（AIBN）：分析純，巴斯夫化工有限公司 ；甲基丙烯酸縮水甘油酯：98%，上海阿拉丁有限公司;1.2實(shí)驗(yàn)儀器DTDN系列超聲波清洗機(jī);分析天平；HH-SI恒溫水浴鍋；微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)-58821.3骨支架的制備A.不同濃度引發(fā)劑下的骨支架的制備用移液管量取5ml甲基丙烯酸縮水甘油酯裝于膠管內(nèi)，配制偶氮

7、二異丁氰（AIBN）丙酮溶液作為引發(fā)劑溶液，分別加入引發(fā)劑與單體摩爾比10-1,10-2,10-3,10-4的引發(fā)劑溶液，充入氮?dú)?分鐘以排除氧氣（消除氧氣的阻聚作用）。以上述制備4個(gè)樣品，編號(hào)。將4個(gè)樣品放入65的恒溫水浴鍋內(nèi)加熱4h。B.不同聚合時(shí)間下骨支架的制備用移液管量取5ml甲基丙烯酸縮水甘油酯裝于膠管內(nèi)，配制偶氮二異丁氰（AIBN）丙酮溶液，加入摩爾比為10-2引發(fā)劑溶液，充入氮?dú)?分鐘以排除氧氣（消除氧氣的阻聚作用）。以上述制備4個(gè)樣品，編號(hào)。將4個(gè)樣品放入65的恒溫水浴鍋內(nèi)分別加熱2h,3h,4h，5h。C不聚合溫度下骨支架的制備用移液管量取5ml甲基丙烯酸縮水甘油酯裝于膠管內(nèi)

8、，配制偶氮二異丁氰（AIBN）丙酮溶液，加入摩爾比為10-2引發(fā)劑溶液，充入氮?dú)?分鐘以排除氧氣（消除氧氣的阻聚作用）。以上述制備4個(gè)樣品，編號(hào)。將4個(gè)樣品分別放入設(shè)定溫度為40，50，6O，65，70的恒溫水浴鍋內(nèi)加熱4h。D不同固液比（粉體與本體之比）下骨支架的制備 分別稱(chēng)量總質(zhì)量為0.5g,0.8g,1.0g，1.2g的質(zhì)量比為1的HAP,HCP混合粉體于膠管內(nèi)，編號(hào)。用移液管量取5ml 已經(jīng)充氮2分鐘的GMA加入粉體的膠管內(nèi)，加入摩爾比為10-2引發(fā)劑溶液。將樣品放入超聲清洗機(jī)內(nèi)超聲10 min使之充分混合。再將4個(gè)樣品放入設(shè)定溫度為65的恒溫水浴鍋內(nèi)加熱4h。E不同殼聚糖（Cs）質(zhì)量

9、下骨支架的制備 分別稱(chēng)量質(zhì)量為0.5g , 0.8g , 1.0g的殼聚糖與質(zhì)量比為1的HAP,HCP混合粉體于膠管內(nèi)，編號(hào)。用移液管量取5ml已經(jīng)充氮2分鐘的GMA加入粉體的膠管內(nèi)，加入摩爾比為10-2引發(fā)劑溶液。將樣品放入超聲清洗機(jī)內(nèi)超聲10 min使之充分混合。再將3個(gè)樣品放入設(shè)定溫度為65的恒溫水浴鍋內(nèi)加熱4h。F不同氯化鈉質(zhì)量下骨支架的制備分別稱(chēng)量質(zhì)量為0g , 0.3g , 0.,5g ，0.8g ，1.0g的氯化鈉與質(zhì)量比為1的HAP,HCP混合粉體以及殼聚糖于膠管內(nèi)，編號(hào)。用移液管量取5ml已經(jīng)充氮2分鐘的GMA加入粉體的膠管內(nèi)，加入摩爾比為10-2引發(fā)劑溶液。將樣品放入超聲清

10、洗機(jī)內(nèi)超聲10 min使之充分混合。再將5個(gè)樣品放入設(shè)定溫度為65的恒溫水浴鍋內(nèi)加熱4h。G.食鹽微粒浸出法致孔 將溫度為65的恒溫水浴鍋內(nèi)加熱4h的產(chǎn)品放入不銹鋼模具中置于65的烘箱中烘1h取出，冷卻后放入去離子水中14天，換水7-8次，烘箱65干燥，得到多孔骨支架材料。2 分析與檢測(cè)2.1 引發(fā)劑的摩爾比的影響在該實(shí)驗(yàn)中引發(fā)劑的影響如表2.1所示。 在反應(yīng)時(shí)間、聚合溫度、單體GMA摩爾量相同的條件下，取引發(fā)劑的摩爾比分別為:10-1、10-2、10-3、10-4。可以知道：引發(fā)劑的摩爾量為單體摩爾量的10-1、10-2、10-3時(shí)，單體GMA完全聚合，且當(dāng)引發(fā)劑的摩爾量為單體摩爾量的10-

11、1、10-2時(shí)聚合速度十分快；但時(shí)，當(dāng)引發(fā)劑的摩爾量為單體摩爾量的10-4時(shí)，單體GMA不能聚合。由此表明：在反應(yīng)時(shí)間為4h ,溫度65、GMA摩爾量相同的條件下， 引發(fā)劑的摩爾量量確定為單體摩爾量的10-3。引發(fā)劑的量太少，產(chǎn)生的自由基太少，所以聚合不能進(jìn)行；如果引發(fā)劑的量為太多，將會(huì)產(chǎn)生的較多的自由基，而且AIBN分解產(chǎn)生的氣體（氮?dú)猓┝恳草^多，殘留在體系中，影響材料的抗壓強(qiáng)度。表2.1引發(fā)劑量用量對(duì)聚合的影響引發(fā)劑摩爾比10-110-210-310-4聚合情況完全聚合 完全聚合不完全聚合不能聚合2.2 聚合反應(yīng)溫度的影響反應(yīng)溫度對(duì)骨支架制備的影響如表2.2所示。實(shí)驗(yàn)條件：反應(yīng)時(shí)間都為4h

12、、引發(fā)劑的摩爾比都為10-2、GMA摩爾量相同的條件下，反應(yīng)溫度分別為：40、50、60、65。可知：溫度為50和60時(shí)，GMA 部分聚合；溫度為60時(shí)，GMA完全聚合；溫度為65時(shí)，GMA也完全聚合。由此表明：在反應(yīng)時(shí)間為4h、GMA的摩爾量、引發(fā)劑的摩爾比相同的條件下，聚合反應(yīng)的溫度為65。這是因?yàn)榫酆戏磻?yīng)溫度為40和50時(shí)，溫度太低，引發(fā)劑無(wú)法分解產(chǎn)生自由基；溫度為60時(shí)，引發(fā)劑分解產(chǎn)生少量的自由基，能使GMA完全聚合，但需要較長(zhǎng)時(shí)間；聚合反應(yīng)溫度為65時(shí)，引發(fā)劑分解產(chǎn)生的自由基能夠使GMA完全聚合。溫度太高，引發(fā)劑分解產(chǎn)生較多的自由基，而且分解產(chǎn)生的氮?dú)鈿埩粼隗w系中量也多，影響材料的力

13、學(xué)性能。 表2.2聚合反應(yīng)溫度對(duì)聚合的影響溫 度40 50 60 65 70 聚合情況未完全聚合未完全聚合完全聚合完全聚合完全聚合2.3聚合反應(yīng)時(shí)間的影響聚合反應(yīng)時(shí)間對(duì)骨水泥的影響如表2.3所示。實(shí)驗(yàn)條件：在溫度65、引發(fā)劑的摩爾量為單體摩爾量的10-2、GMA摩爾量相同的條件下，反應(yīng)時(shí)間分別為：2h、3h、4h、5h。由表可知：反應(yīng)時(shí)間為2h和3h時(shí)GMA部分聚合；反應(yīng)時(shí)間為4h和5h時(shí) GMA完全聚合。由此表明：在溫度65、引發(fā)劑的摩爾量為單體摩爾量的10-2、GMA摩爾量相同的條件下，反應(yīng)時(shí)間為4h的GMA完全聚合。原因是引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基的量，隨聚合反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。 表2.3聚

14、合反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚合的影響時(shí)間 2h 3h 4h 5h聚合情況 少量聚合 不完全聚合 完全聚合 完全聚合2.4 固液比的的影響固液比的影響如表2.4所示。實(shí)驗(yàn)條件：在反應(yīng)時(shí)間都為4h、溫度為65、引發(fā)劑的摩爾比為10-2、GMA濃度相同的條件下，粉體總質(zhì)量為0.5g , 0.8g , 1.0g，1.2g。由表可知：粉體質(zhì)量在0.5g , 0.8g , 1.0g時(shí)，均能完全聚合，但是當(dāng)粉體質(zhì)量為1.2g時(shí)，聚合不完全，反應(yīng)結(jié)束以后有粉末存在，這是因?yàn)榉垠w的量太多，聚合單體GMA難以完全包裹住，這樣不利于實(shí)驗(yàn)的定量分析，因此，把粉體質(zhì)量確定為1g,( HAP,HCP各0.5g)。表2.4不同的固液比對(duì)

15、骨水泥聚合的影響粉體總品質(zhì)聚合時(shí)間聚合情況0.54小時(shí)完全聚合0.84小時(shí) 完全聚合1.04小時(shí) 完全聚合1.24小時(shí) 不完全聚合 存在粉末2.5 產(chǎn)品強(qiáng)度的測(cè)定通過(guò)用微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)-5882對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度的測(cè)定測(cè)定結(jié)果如下： 圖2.1現(xiàn)場(chǎng)照片圖2.5.1溫度對(duì)骨支架強(qiáng)度的影響5ml GMA溶液，摩爾比為10-2的引發(fā)劑溶液，結(jié)果如下表2.5；溫度4050606570壓強(qiáng)49.76MPa 51.18MPa52.74MPa53.17MPa52.16 MPa由此可以得出：在反應(yīng)時(shí)間都為4h、引發(fā)劑的摩爾比都為10-2、GMA摩爾量相同的條件下，聚合溫度為65時(shí)，材料強(qiáng)度最高。2.5.2引發(fā)劑的量對(duì)

16、骨支架強(qiáng)度的影響5ml GMA溶液，摩爾比分別為10-1,10-2,10-3,10-4的引發(fā)劑溶液，結(jié)果如下表2.6；摩爾比10-110-210-310-4壓強(qiáng)39.63MPa53.17MPa50.98MPa29.77MPa由此可以得出：在聚合溫度都為65、反應(yīng)時(shí)間都為4h、GMA摩爾量相同的條件下，引發(fā)劑的摩爾比為10-2時(shí)，材料的強(qiáng)度最高。2.5.3時(shí)間對(duì)骨支架強(qiáng)度的影響 5ml GMA溶液，摩爾比為10-2的引發(fā)劑溶液，結(jié)果如下表2.7；時(shí)間2h3h4h5h壓強(qiáng)37.32MPa38.01MPa53.17MPa53.24MPa由此可以得出：在聚合溫度都為65、引發(fā)劑的摩爾比均為10-2、G

17、MA摩爾量相同的條件下，聚合反應(yīng)時(shí)間為4h和5h時(shí)，5h的強(qiáng)度略微大些，但強(qiáng)度差別不大，都達(dá)到了要求，故選擇聚合時(shí)間為4h.。2.5.4.粉體質(zhì)量對(duì)骨支架強(qiáng)度的影響 5ml GMA溶液，摩爾比為10-2的引發(fā)劑溶液，結(jié)果如下表2.8；粉體質(zhì)量 （超聲）0.5g0.8g1.0g1.2g壓強(qiáng)20.50MPa21.32MPa23.10MPa21.16MPa由此可以得出：在聚合溫度都為65、反應(yīng)時(shí)間都為4h、引發(fā)劑的摩爾比均為10-2、GMA摩爾量相同的條件下，加入的質(zhì)量比為1 的HCP、HAP混合粉體的質(zhì)量為1.0g時(shí)，材料的強(qiáng)度最強(qiáng)。2.5.5殼聚糖（Cs）質(zhì)量對(duì)骨支架強(qiáng)度的影響 5ml GMA溶

18、液，摩爾比為10-2的引發(fā)劑溶液，結(jié)果如下表2.9；殼聚糖質(zhì)量0g0.3g0.5g0.8g1.0g泡前壓強(qiáng)27.48MPa25.44 MPa23.10MPa22.08MPa18.07MPa泡后壓強(qiáng)26.97 MPa23.67MPa22.25MPa19.22MPa18.23MPa由此可以得出：在聚合溫度都為65、反應(yīng)時(shí)間都為4h、引發(fā)劑的摩爾比均為10-2、GMA摩爾量相同的條件下，隨著殼聚糖量的增多，材料的強(qiáng)度降低，且微粒浸泡制孔后材料的強(qiáng)度會(huì)下降。2.5.6致孔劑（NaCl）質(zhì)量對(duì)骨支架強(qiáng)度的影響 5ml GMA溶液，摩爾比為10-2的引發(fā)劑溶液，結(jié)果如下表2.10；NaCl質(zhì)量0g0.3g

19、0.5g0.8g1.0g泡前壓強(qiáng)24.25 MPa22.90 MPa22.80MPa18.20MPa16.40MPa泡后壓強(qiáng)24.18 MPa19.22 MPa18.35MPa11.80MPa10.20MPa由此可以得出：在聚合溫度都為65、反應(yīng)時(shí)間都為4h、引發(fā)劑的摩爾比均為10-2、GMA摩爾量相同的條件下，隨著致孔劑量的增多，材料的強(qiáng)度降低，且微粒浸泡制孔后材料的強(qiáng)度會(huì)下降。2.6產(chǎn)品孔隙率的分析2.6.1致孔劑質(zhì)量對(duì)孔隙的影響浸泡前后以及烘后產(chǎn)品的質(zhì)量變化如下表2.11NaCl質(zhì)量0g0.3g0.5g0.8g1.0g泡前質(zhì)量3.975g4.284g4.412g4.530g4.584g泡

20、后質(zhì)量4.568g5.003g4.873g4.392g4.618g烘后質(zhì)量3.968g3.832g3.766g3.604g3.531g析出質(zhì)量0.007g0.452g0.646 g 0.926g1.053g孔隙率0.17610.5514.64 20.44 22.97泡前質(zhì)量析出質(zhì)量+水的質(zhì)量=泡后質(zhì)量泡后質(zhì)量水的質(zhì)量=烘干后質(zhì)量由此可以得出，在聚合溫度都為65、反應(yīng)時(shí)間都為4h、引發(fā)劑的摩爾比均為10-2、GMA摩爾量相同的條件下，隨著致孔劑量含量的增加，孔隙率逐漸上升，但考慮到致孔劑量的增加會(huì)影響材料的力學(xué)性能，所以選擇致孔劑量為0.8g，同時(shí)，加了粉體以后表面有粉體沒(méi)有包埋進(jìn)去，導(dǎo)致析出質(zhì)

21、量大于致孔劑質(zhì)量。2.6.2 復(fù)合材料表面SEM表征1.無(wú)致孔劑時(shí) 圖2.2放大5k倍下的SEM圖片 圖2.3放大10k倍下的SEM圖片圖2.3放大10k倍下的SEM圖片2.有致孔劑時(shí) 圖2.4放大5k倍下的SEM圖片 圖2.5放大10k倍下的SEM圖片 圖2.6放大500k倍下的SEM圖片由圖可知，當(dāng)氯化鈉作為致孔劑時(shí)，致孔效果較為明顯。結(jié)論采用GMA本體聚合制備骨支架材料，用微粒浸出法致孔，建立了一種新的骨支架設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了類(lèi)似人體骨微觀結(jié)構(gòu)并且與人體骨外部結(jié)構(gòu)極其相似的骨支架。實(shí)驗(yàn)表明，引發(fā)劑（AIBN）的摩爾比、聚合反應(yīng)時(shí)間、固液比、殼聚糖(Cs)以及致孔劑(NaCl)的量都對(duì)支架的

22、抗壓強(qiáng)度和孔隙率有所影響，而且，支架的抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而逐漸減小，當(dāng)孔隙率是29.27時(shí)，支架的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到18.20Mpa，可以滿足骨組織工程支架材料的要求。致謝本文在論文的實(shí)驗(yàn)和寫(xiě)作過(guò)程中遇到了許多困難和障礙，得到了張光學(xué)老師的無(wú)私指導(dǎo)和幫助，張老師不厭其煩的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、修改論文，我在這里表示衷心的感謝；另外，感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫(xiě)作；最后，感謝我的同學(xué)和朋友，在我實(shí)驗(yàn)和寫(xiě)論文以及論文的撰寫(xiě)排版過(guò)程中提供熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫(xiě)論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和同

23、學(xué)友批評(píng)和指正！參考文獻(xiàn)1 王月波，汪焰恩，魏生民，楊明明.人工骨支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(4):282-286.2 孫曉寧，孫康寧，朱廣楠.殼聚糖對(duì)納米碳管磷酸鈣骨水泥性能的影響J. 生物骨科材料與臨床研究，2008(03):53-54.3Mooney DJ. Mazzoni CL.Breuer MJ. et al. Stabilized polyglyoolic acid fiber-based tubes for tissue engineeringJ.Biomaterials.1996,17:115-124.4Ishang SL .Crane GM. Mi

24、ller MJ.et al.Bone formation by three-dimensional stromal osteoblast culture in biodegradable polymer scaffoldsJ.Biomed Mater Res.1997,36:17-28.5Ishang-Riley SL.Crane-Kruger GM.Yaszem ski MJ .et al. three-dimensional culture of rate calvrial osteoblasts in porous biodegradable polymers J.Biomaterials,1998,1405-1412.6高建平，馬朋高，于九皋等.組織工程與