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《吉林大学》 2004年
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纳米碳酸钙/聚-L乳酸、晶须碳酸钙/聚-L乳酸复合材料的合成与实验研究

徐执扬  
【摘要】:从50年代末,伴随着治疗骨折的AO原则逐步被人们所接受,金属内固定材料也广泛应用于临床。但其局限性有(1)由于强度高,在骨折愈合后期产生了应力遮挡,不利于骨折愈合,并导致骨质疏松和骨萎缩;(2)金属内固定物产生一定的电解作用,干扰骨折的愈合;(3)需再次手术取出。 基于以上金属内固定的局限,研究人员开始探索采用生物降解材料作为骨科内固定物。这些材料必须具有良好的生物相容性,无抗原性,无毒,无致癌性。Schmit和Polistina1969年首次将聚乙醇酸(PGA)用于兔和狗的实验性骨折固定材料。Tormala和Rokkanen1984年首次将其应用于临床。聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)是目前临床上最常见的生物降解材料,它们都是由单体聚合而成。近30年的研究证明:这些常用生物降解材料具有良好的相容性,没有严重的急性与亚急性的组织反应和毒理反应。 WP=83 Taglorms (1994) 对生物材料纯降解产物引起的细胞毒性进行定量检测,毒性从大到小依次为PLA和PGA。从降解速度来看,PLA最长,降解周期约为6个月。由于其良好的组织相容性,无细胞毒性及可降解性,PLA及PGA均已获得美国FDA批准可以在人体内使用。目前,这些生物材料临床应用十分广泛如骨钉、骨螺钉、药物缓释系统、人工皮肤、细胞移植基质材料等。目前合成性生物降解材料已成为材料研究与应用的热点。由于采用新的聚合工艺,我们可按人体不同部位、不同需要将材料加工成任何形状和结构,并且通过改变共聚物单体相关比例,来控制其降解速率和性能表征。就骨科临床应用而言,主要为聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚二氧杂环己酮(PDS)等。 但骨科生物降解材料也同样存在一些问题,使其应用受到了限制。(1)初始强度仍较低;(2)降解速率较快;(3)晚期异物反应发生率较高;(4)普通X-线不显影;(5)国外产品成本高,难以在国内推广。 2.实验目的 为了克服生物降解材料的缺陷性,我们采用纳米碳酸钙和晶须碳酸钙通过溶液共混的方法与聚L-乳酸复合,形成新型纳米碳酸钙/聚L-乳酸及晶须碳酸钙/聚L-乳酸两种复合材料,以期提高 WP=84 原有聚L-乳酸基质材料的初始强度和延缓其降解。 3.实验方法与结果 首先对纳米碳酸钙和晶须碳酸钙及聚L-乳酸(PLLA)进行光镜、扫描电镜、透射电镜的检测。 通过实验对复合材料的生物相容性、力学性能和降解特性进行了综合评价。大量的临床及实验研究表明:PLLA 无毒性反应,无细胞毒性,无致热源等。但与纳米碳酸钙及晶须碳酸钙复合后是否依然有良好的生物相容性,尚须实验证明。我们采用以上两种新型复合材料与细胞标准株(NIH3T3、L929)体外共培养,并以聚L-乳酸为对照。结果表明:各组细胞正常贴壁,生长良好,细胞形态正常。统计结果显示各组细胞培养无显著统计学差异(P0.05),复合材料不影响细胞增殖。这些都说明了复合材料对细胞无毒性作用,但对细胞的长期作用影响尚须进一步观察研究。 国内外对于聚乳酸(PLA)的增强采用以下几种方式:提高分子量、改变聚合工艺(包括自身增强、热拉伸、挤出成型等)、制备复合材料(包括颗粒增强、纤维增强等)。目前,国内外临床上常用的PLA是以自身增强技术(SR技术)合成的。我们采用纳米碳酸钙与晶须碳酸钙与聚L-乳酸复合后,其增强方式为复合材料的颗粒及纤维增强。 WP=85 纳米碳酸钙对聚合物增强增韧的机理为:由于纳米碳酸钙粒子粒径小(60-90nm),比表面积大,表面活性高,故增大了填料与聚合物基质的接触面积,形成了许多的物理缠结。同时,纳米碳酸钙粒子形成了链状结构,它属于一次结构。这种结构越多,与聚合物物理缠结的能力愈大。纳米碳酸钙与基质间存在强的化学作用,不存在界面软化现象,它们之间的过渡层强度高于基质。 纳米碳酸钙粒子的微细化增加了其表面能,从而增大了纳米粒子间二次附聚的可能性,使其分散困难。因此,纳米碳酸钙必须作相应的表面活性处理,降低表面能,增加表面活性基团,提高与聚合物的相互作用,进而提高物理性能。表面处理就是通过物理或化学方法将表面处理剂吸附在碳酸钙纳米粒子表面,形成表面改性层。常用的表面处理剂有钛酸酯类、碳酸酯、脂肪酸等高分子聚合物。本次实验所用纳米碳酸钙未单独表面改性,这基于三方面原因:(1)纳米碳酸钙在常规条件下已完全不同于普通碳酸钙,即使在未分散状态下,仍具有相当的活性,对聚合物基质产生增强作用;(2)在合成纳米碳酸钙/聚L-乳酸复合材料时,采用了超声技术,有利于纳米碳酸钙的均匀分散;(3)更好的分析纳米碳酸钙用量与增强效应之间的关系。实验结果表明:10%纳米碳酸钙/聚L-乳酸复合材料的冲击强度增加24%,弯曲强度和拉 WP=86 伸弹性模量分别增加14%和18%;30%纳米碳酸钙/聚L-乳酸复合材料的冲击强度增加88%,弯曲强度和拉伸弹性模量分别增加41%和68%。实验结果还表明纳米碳酸钙/聚L-乳酸复合材料能够满足松质骨固定的要求(20Mpa)。 晶须碳酸钙对聚L-乳酸的增强机理为:由于晶须结构本身微细,强度高,模量高,与聚L-乳酸融合后,均匀分散,起到骨架作用。晶须的存在能发展定向结构,又不产生各向异性,可减少材料缺陷形成
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:R687

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