Effects of chitosan on properties of selfmade calcium phosphate cement 【Abstract】 AIM: To investigate the effect of chitosan on the physical characteristics, ultramicrostructure and biocompatibility of a selfmade calcium phosphate cement (CPC). METHODS: Two different cement formulations were prepared by mixing CPC powder respectively with 【Keywords】 calcium phosphate cement; chitosan; compressive strength; biocompatibility 【摘要】 目的:了解壳聚糖对自制磷酸钙骨水泥(CPC)物理性能、超微结构及生物相容性的影响. 方法:分别以 【关键词】 磷酸钙骨水泥;壳聚糖;抗压强度;生物相容性 0引言 骨缺损是困扰矫形、颌面、脑外科的一个常见而又棘手的难题. 自固化磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement, CPC)终产物的化学结构与骨的矿物成份相似,具有良好的生物相容性、可降解性、骨传导性,并且可随意塑性,与周围骨组织紧密连接等多种优点[1],因而得到材料界及医学界的重视,成为骨缺损修复材料研究和应用的一个热点. 但是普通CPC缺乏韧性、固化时间长、降解速度较慢、抗压强度低等不足使其临床应用受到一定限制. 如何进一步改性,更好地满足临床需要成为研究的焦点. 研究发现改变其固相颗粒大小、液相、液固比例、温度,添加适当的有机或聚合材料等方法可以在一定程度上改善其性能 [2-5]. 壳聚糖(chitosan, CS)是地球上含量极为丰富,仅次于纤维素的天然聚合体―甲壳素的脱乙酰化衍生物,其结构与硫酸软骨素、透明质酸等物质类似,是一种由2氨基2脱氧βD葡萄糖通过β1,4糖苷键聚合的天然聚阳离子多糖. 研究表明CS可被包括溶菌酶在内的多种特异或者非特异性酶降解为氨基葡萄糖而被吸收,并且具有生物相容性、止血、抗感染、可塑性及黏附性等诸多优点[6], CS单独或者与复合其他材料可制作敷料、释放药物、基因的载体、生物涂层、组织工程支架等[7]. 我们拟研究CS对自制的自固化CPC性能的影响. 1材料和方法 1.1CPCCS复合物的制备参照文献[8]所述方法制备无水磷酸氢钙和磷酸四钙,球磨过筛,前者平均粒径1 μm,后者17 μm. 等摩尔比混合作为CPC固相. 液相:实验组 1.2防水试验用手将 1.3初步凝结时间测定 1.4抗压强度测定标准抗压试件为直径比高度小于2的圆柱体. 1.5扫描电镜分析样品的形态力学测量后断裂表面脱水干燥并经真空镀膜仪表面喷金,扫描电镜(日产JSM 1.6肌肉植入试验 1.7细胞种植实验及对照组分别制备成直径 统计学处理:所有数据均用x±s表示,SPSS软件两独立样本t检验比较试样初步凝结时间及抗压强度. 检验水准设为P<0.05. 2结果 2.1防水试验水泥小球放入装有生理盐水的瓶中,对照组产生较多水泡,很快散开;实验组只有很少的水泡,可保持原来的外形3 min. 2.2水泥初步凝结时间测定实验组(8.4±1.2) min,对照组(23.7±2.7) min. Levene方差齐性检验F=0.596,P=0.462,可以认为两样本方差相等,进行方差齐性检验时,t=-20.455, P≈0.000,认为两者差异有统计学意义. 2.3抗压强度测定实验组(6.52±1.61) MPa,对照组在(2.08±0.70) MPa. Levene方差齐性检验F=0.393,P=0.548,可以认为两样本方差相等,进行方差齐性检验时,t=6.732, P≈0.000,结果两者差异有统计学意义. 2.4超微结构分析扫描电镜检查发现试样的表面均有颗粒状晶体形成,较多微孔,分布均匀,直径几个至十几个微米. 添加CS后,晶体仍然呈现颗粒状,证明添加CS对水泥的固化反应产物未形成影响. 只是颗粒间互相连接更加紧密,孔隙较对照组少(Fig 1). 2.5肌肉植入试验术后老鼠饮食、活动正常,伤口愈合良好. 大体观察1 wk时有轻微炎症反应,4 wk后炎症反应消失,柱状体包裹在肌肉内,两者间无纤维膜. 12 wk后实验组质地变软,可见软组织长入,对照组基本维持原来植入的形状. 未见肌肉坏死. 2.6细胞种植扫描电镜观察细胞种植于材料表面3 d后,于表面贴附生长,呈多边形. 实验组材料表面的细胞数目多,细胞呈现团块生长,对照组的细胞数目少(Fig 2). 3讨论 CPC是20世纪80年代中期研制的自固化型、非陶瓷类羟基磷灰石(HA)类人工骨材料. 其固、液相按比例混合后,先形成一种可任意塑形的膏体,在室温或者体内环境下凝固可转变成含微孔结构的HA晶体. 理想的抗压强度,适宜的凝结时间是CPC研究的一个重要方向. 理想的抗压强度应该介于皮质骨和松质骨之间,适当的凝结时间以利于手术进行为原则,一般认为5~20 min为宜. 随着对CPC水合机制的深入研究发现原料成分、颗粒大小及匹配度、钙磷比、晶种、固化液的量、温度等等因素都能显著影响CPC的水合反应,进而影响水泥的理化特性. 同时凝胶、胶原、藻酸钠等添加剂也能改善CPC的性能,但是都不是很理想.我们利用CS作为CPC改性的添加剂,发现添加5%CS可以缩短凝结时间,提高抗压强度. 分析原因可能是当CPC与酸性壳聚糖溶液混合后,酸和钙发生螯合反应,很快凝固形成水凝胶,缩短初步凝结时间. CS由并列的H结合链组成,与天然骨的力学性能更接近,所以能提高复合物的力学性能,同时抗压强度提高还可能与微孔结构减少有关. 生物骨替代材料如果不稳定,接触体液或血液后会发生溃散、迁移. 一方面会影响成骨,因为在骨愈合的初期植入材料的稳定非常重要;另一方面可能损伤健康组织. 模拟生物材料(analogue biomaterials)概念的提出引发了生物活性微粒加聚合体基质构成仿生骨这一思路[9]. 生物活性成分促周围组织生长,将组织和植入材料牢固结合,聚合体基质则提供材料的柔韧性,限制颗粒的迁移. 我们利用壳聚糖作为基质,改善CPC的粘结性能,限制CPC颗粒的移动,提高其临床操作的柔顺性、抗水冲刷能力. 随着复合物在体内降解,壳聚糖可为骨基质合成提供氨基多糖原料. 当然这仅仅是简单材料组成的模仿,绝非是真正意义上的仿生. 本研究初步显示,CS可以改善自制CPC的理化及生物相容性. 复合材料的成骨性能如何还有待进一步研究. [1] LeGeros RZ. Properties of osteoconductive biomaterials: Calcium phosphates[J]. Clin Orthop, 2002;1(1):81-98. [2] Driessens FC, Boltong MC, de Maeyer EAP, et al. The Ca/P range of nanoapatitic calcium phosphate cements[J]. Biomaterials, 2002;23(19):4011-4017. [3] Driessens FC, Boltong MG, De Maeyer EA. Effect of temperature and immersion on the setting of some calcium phosphate cements[J]. J Mater Sci Mater Med, 2000;11(7):453-457. [4] Durucan C, Brown PW. Low temperature formation of calciumdeficient hydroxyapatitePLA/PLGA composites[J]. J Biomed Mater Res, 2000;51(4):717-725. [5] Mickiewicz RA, Mayers AM, Knaack D. Polymercalcium phosphate cement composites for bone substitutes[J]. J Biomed Mater Res, 2002;61(4):581-592. [6] Ishihara M, Nakanishi K, Ono K, et al. Photocrosslinkable chitosan as a dressing for wound occlusion and accelerator in healing process[J]. Biomaterials, 2002;23(3):833-840. [7] Khor E, Lim LY. Implantable applications of chitin and chitosan[J]. Biomaterials, 2003,24(13):2339-2349. [8] Takagi S, Chow LC. Formation of macropores in calcium phosphate cement implants[J]. J Mater Sci Mater Med, 2001;12(2):135-139. [9] Bonfield W, Grynpas MD, Tully AE, et al. Hydroxyapatite reinforced polyethylene―a mechanically compatible implant material for bone replacement[J]. Biomaterials, 1981;2(3):185-186. [10] 孙明林, 胡蕴玉, 贾新斌, 等. 磷酸钙骨水泥/骨形态发生蛋白复合人工骨的生物相容性[J]. 学报,2001;22(11):1006-1009. Sun ML, Hu YY, Jia XB, et al. Biocompatibility of calcium phosphate cement/BMP composite as bone graft material[J]. J Fourth Mil Med Univ, 2001;22(11):1006-1009. [11] 刘峰, 吴军正, 陈建元. 应用四唑盐比色法对5种骨水泥的细胞毒性的测试[J]. 学报, 2001;22(4):379-380. Liu F, Wu JZ, Chen JY. Cytotioxity test of 5 kinds of bone cement with MTT assay[J]. J Fourth Mil Med Univ, 2001;22(4):379-380. [12] Linhart W, Peters F, Lehmann W, et al. Biologically and chemically optimized composites of carbonated apatite and polyglycolide as bone substitution materials[J]. J Biomed Mater Res, 2001;54(2):166-171. 转贴于 中国论文下载中心 http://www. |
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