【摘要】：基磷灰石(hydroxyapatite,簡(jiǎn)稱HA)與天然硬組織的無(wú)機(jī)成分相似,有生物相容性好、骨傳導(dǎo)能力強(qiáng)等特點(diǎn),是一種應(yīng)用廣泛的硬組織損傷修復(fù)材料。但是HA材料在使用過程中存在一些問題:HA在體液中有一定的溶解度,因此HA涂層種植體在植入體內(nèi)一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)涂層部分溶解,導(dǎo)致骨結(jié)合失敗;同時(shí)HA抑菌性差,易發(fā)生細(xì)菌感染、種植體松動(dòng)等問題。針對(duì)這些問題,本論文從生物仿生角度出發(fā),研究天然硬組織中存在的微量元素對(duì)HA晶體結(jié)構(gòu)、生物學(xué)活性及抗菌性的影響,以更好地理解微量元素在硬組織的多級(jí)有序結(jié)構(gòu)的形成及優(yōu)異的生物學(xué)性能等方面發(fā)揮的作用,進(jìn)而制備兼具生物活性及抗菌性的硬組織植入材料。本論文取得的主要成果如下:1.微量氟元素對(duì)于合成過程中前驅(qū)相向氟摻雜羥基磷灰石(FHA)相轉(zhuǎn)變過程的影響。通過水熱法合成了一種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的FHA純相納米晶聚集體。通過FHA形成過程中的結(jié)構(gòu)和形貌變化分析F在FHA相轉(zhuǎn)化過程中的作用。我們發(fā)現(xiàn)了F存在時(shí)引起前驅(qū)相DCPA向FHA拓?fù)滢D(zhuǎn)變的晶體取向不同于其與HA間的取向關(guān)系,根據(jù)HRTEM結(jié)果及DCPA與FHA的晶體結(jié)構(gòu)模型分析,FHA合成過程中存在以下晶體學(xué)取向關(guān)系:FHA[010]∥DCPA[001]和FHA(001)∥DCPA(010),造成了DCPA和FHA兩者c軸間的關(guān)系由HA的平行關(guān)系變?yōu)镕HA的垂直關(guān)系,從而形成c軸取向有序排列的納米晶。該研究有助于從晶體生長(zhǎng)機(jī)理方面了解氟元素對(duì)于羥基磷灰石晶體結(jié)構(gòu)的重要影響,同時(shí)對(duì)于探討牙釉質(zhì)中微量氟的重要作用提供了新的思路。2.微量氟元素引起FHA晶體中出現(xiàn)Ca缺陷等活性反應(yīng)中心,同時(shí)改變FHA的形貌及表面性質(zhì),使其具有較好的成骨細(xì)胞活性和抗菌性。發(fā)現(xiàn)微量F摻雜HA(F0.02)為缺鈣型HA,其晶體結(jié)構(gòu)中存在的缺陷數(shù)量明顯高于HA及大量F摻雜HA樣品。Ca缺陷的存在使F0.02晶體結(jié)構(gòu)中形成凈偶極矩,勢(shì)能水平發(fā)生變化以及產(chǎn)生強(qiáng)酸位點(diǎn)等活性中心。F0.02還具有與天然磷灰石類似的長(zhǎng)徑比和較大的比表面積。因此,微量F摻雜HA樣品F0.02具有比HA及含氟量高的樣品(F1和F2)更好的蛋白質(zhì)吸附能力,能夠顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞在材料表面的粘附增殖以及提高其分化活性和成骨基因的表達(dá)。此外,微量F摻雜引起HA的晶格能增加,溶解度降低,材料表面親水性降低,與Ca缺陷形成的活性中心共同起作用,使得微量F摻雜HA表現(xiàn)出顯著的大腸桿菌抗菌性。由于微量氟摻雜羥基磷灰石兼具優(yōu)異的成骨活性和抗菌性且無(wú)細(xì)胞毒性,使其在硬組織替代材料方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。3.微量F-Sr和微量F-Zn共摻雜HA的生物學(xué)效應(yīng)研究。水熱法制備了Sr摻雜、Zn摻雜、F-Sr共摻雜及F-Zn共摻雜HA。發(fā)現(xiàn)Sr摻雜HA不僅顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附、增殖,還可以抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng),對(duì)研究骨腫瘤部位骨缺損修復(fù)具有重要意義。F-Zn共摻雜可以提高Zn的穩(wěn)定摻雜量,顯著提高Zn在HA晶格內(nèi)的穩(wěn)定性。微量F-Sr及微量F-Zn共摻雜HA樣品均具有比大量元素共摻雜HA更好的蛋白質(zhì)吸附性能及成骨細(xì)胞活性,摻雜量的增加明顯降低材料的生物活性。微量F-Sr及微量F-Zn共摻雜HA比單一元素?fù)诫s更好地促進(jìn)成骨細(xì)胞的粘附、增殖以及分化。同時(shí)微量元素共摻雜HA具有較好的抗菌性,特別是F-Zn共摻雜HA,對(duì)于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果顯著。因此,微量元素共摻雜對(duì)于提高HA的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、生物活性及抗菌性具有重要作用,通過微量元素共摻雜將有助于提高HA植入體的長(zhǎng)效穩(wěn)定性。4.微量F摻雜HA及微量F-Zn共摻雜HA真空等離子噴涂涂層體外、體內(nèi)成骨性及抗菌性研究。微量F摻雜、F-Zn共摻雜HA涂層經(jīng)歷等離子噴涂高溫過程,均能夠保持晶體結(jié)構(gòu),比HA涂層具有更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)及更高的涂層結(jié)合強(qiáng)度。微量元素?fù)诫sHA涂層體外成骨細(xì)胞活性較好,沒有溶血性,適宜進(jìn)一步開展動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,微量元素?fù)诫sHA涂層浸提液均對(duì)小鼠無(wú)組織器官毒性,不影響小鼠的正常生命活動(dòng)。同時(shí),微量元素?fù)诫sHA涂層植入體在新西蘭兔體內(nèi)具有較好的成骨性,并且金黃色葡萄球菌感染實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),兩種涂層種植體在沾染菌液情況下均與骨組織融合良好,種植體表面形成的新生骨組織明顯多于HA,具有較好的抗菌性及成骨性。因此,微量F摻雜HA涂層及微量F-Zn共摻雜HA涂層作為骨替代材料具有廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

有機(jī)質(zhì)占 0.4%-0.9%，水占 3.6%-2.1%白，可溶性成釉蛋白分散于晶體間隙。天然牙釉凈的 HA 晶體，常含有 F-、Cl-、CO32-、Na+和，HA 晶體為六方棱柱形，長(zhǎng)度 250-1000 nm，釉質(zhì)中 HA 晶體尺寸大于牙本質(zhì)中的 HA 晶能，減小比表面積，提高抗酸蝕能力。成牙體的主體部分，其中礦物質(zhì)占 65%-75%，，牙本質(zhì)的礦化程度不如釉質(zhì)，但是彈性比質(zhì)的 1/5[10]，但是釉質(zhì)界處硬度較高，大約為近釉柱的支持。牙本質(zhì)與釉質(zhì)結(jié)合在一起，主要承完整牙齒即使在如此情況下很少發(fā)生斷裂，這牙本質(zhì)的韌性和柔順性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖 1.2 骨在不同尺度下的多級(jí)組成結(jié)構(gòu)示意圖[11]。ic representation of the hierarchicial organization of bonescales.所有器官中所占比例最大的器官，為其他器官素，是鈣元素的存儲(chǔ)部位，也是重要的造血器的有機(jī)成分以及主要以羥基磷灰石形式存在的機(jī)和有機(jī)成分的共同作用下，骨在具有較好的體骨組織中的膠原蛋白主要為 I 型膠原蛋白（ nm，，并且在組織中形成了纖維之間交互編織而磷灰石均勻分布在膠原纖維上，包括長(zhǎng)約 40無(wú)定形磷酸鈣（β Ca3(PO4)2）晶體。其中，
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O76;R318.08

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本文編號(hào)：2706253