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摘 要

自1980年起，磷酸钙骨水泥（CPC）已经越来越多地作为骨替代物。它以其优良的生物相容性 、自固化能力以及易塑性成为极具优势和潜力的骨修复材料, 它在牙科、整形外科以及脑外科等也有着广泛的应用前景。但传统磷酸钙骨水泥存在力学强度差、注射性低和固化时间长等缺点，限制了其在临床上的应用。因此本文以氧化石墨烯-聚多巴胺（PDA-rGO）为固化液，磷酸四钙(TTCP)和无水磷酸氢钙（DCPA）为固相粉末制备CPC。通过改变PDA-rGO固化液的浓度，对CPC进行XRD、凝结时间、抗压强度、水化反应pH值以及其对SBF模拟体液pH值的测定，研究其对CPC水化性能的影响。

关键词：磷酸钙骨水泥 凝结时间 抗压强度 水化性能

Effects of graphene oxide-polydopamine on hydration properties of CPC

Abstract

Since their initial formulation in the 1980s, calcium phosphate cements (CPCs) have been increasingly used as bone substitutes.It is a promising material for bone repair because of its biocompatibility,self-setting and facility to be shaped.It also has wide applications in dentistry,orthopaedics etc.However, The mechanical strength, injectable ability and solidification of traditional calcium phosphate cement were too poor to develop its clinical application.Therefore,in this paper,we produced the CPC by taking graphene oxide-polydopamine (PDA-rGO) as curing liquid and taking tetracalcium phosphate (TTCP) and dicalcium phosphate anhydrous (DCPA) as solid powders.In addition,by varying the concentration of PDA-rGO curing solution,we determined the XRD,setting time,compressive strength, pH value of hydration reaction and pH value of SBF affected by CPC,in order to study its effect on the hydration properties of CPC.

Key Words: Calcium phosphate cement; Setting time; Compressive strength; Hydration property

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1引言 1

1.2骨修复材料CPC的概述 1

1.2.1传统型CPC 1

1.2.2复合型CPC 3

1.3氧化石墨烯的应用研究进展 4

1.3.1氧化石墨烯的性质 4

1.3.2氧化石墨烯的制备方法 5

1.3.3氧化石墨烯在医学领域的应用 5

1.4聚多巴胺的应用研究进展 6

1.5本论文研究的目的和任务 7

第二章实验部分 8

2.1实验试剂、仪器 8

2.1.1主要试剂 8

2.1.2主要仪器 9

2.2样品制备 9

2.2.1 PDA-rGO固化液的制备 9

2.2.2 TTCP制备 10

2.2.3 DCPA制备 10

2.2.4 CPC固相粉末的制备 10

2.2.5 SBF模拟体液的制备 10

2.3表征方法 11

2.3.1凝结时间测定方法 11

2.3.2抗压强度测试方法 11

2.3.3 XRD分析 12

2.3.4扫描电镜分析 12

2.3.5红外光谱分析 12

2.3.6紫外光谱分析 12

第三章结果与分析 13

3.1 PDA-rGO固化液的表征 13

3.2 CPC骨水泥的表征 16

3.2.1凝结时间 16

3.2.2力学强度 17

3.2.3 XRD结果 18

3.2.4 CPC水化反应的pH值的变化 19

3.2.5 CPC对SBF模拟体液pH值的影响 20

第四章结论与展望 22

4.1结论 22

4.2展望 22

参考文献 23

致谢 25

第一章绪论

1.1引言

骨修复材料主要有三种，即自体骨、异体骨和人工合成材料。自体骨移植是骨修复重建的一种有效材料，然而此种手段必须以牺牲人体部分正常组织为代价，来修复病损或缺损骨，增加手术创伤，且供骨来源有限，很难根据缺损部位准确塑形，供骨区可能出现形态和功能障碍并且植入后需要很长时间的爬行替代过程。异体骨移植存在免疫排斥反应，有导致传染疾病的可能同时也存在准确塑型难、需长时间爬行替代等问题^[1]。因此，自体骨、异体骨临床应用受到一定的限制^[2]。研制理想的骨缺损修复材料成为骨科、颌面外科和口腔科等领域努力探索的热点课题之一。目前，己研制和开发了多种骨修复材料^[3]，如氧化铝陶瓷，生物玻璃，磷酸钙陶瓷(TCP)，聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)骨水泥，羟基磷灰石(HAP)陶瓷，磷酸钙骨水泥(CPC)等。

近年来，磷酸钙骨水泥（CPC）作为骨修复材料是国际上的研究热点之一。CPC是一种能够发生自固化反应的钙磷酸盐^[4]。CPC的生物相容性好，能在人体内自行发生水化反应，形成与骨成分中的无机矿物组成和结构相似的磷灰石，并且磷灰石产物能引导、甚至诱导骨生长并同步发生降解而被人体组织吸收和代谢^[4]。CPC不仅具备任意可塑性和操作方便，而且具有水化放热小和降解速率快等特点^[5]。生物医用材料的发展历史就是不断解决临床应用中提出的各种问题和要求的过程。CPC虽然具有上述优点，但仍然无法完全满足临床植入的多种要求，如强度低，易溃散，组成单一等。因此，如何使CPC满足这些临床植入的要求，是目前许多学者致力研究的课题。

1.2骨修复材料CPC的概述

1.2.1传统型CPC

1985年，Brown和Chow^[6-7]研制出以磷酸四钙(TTCP)和磷酸氢钙(DCPD或DCPA)为原料的世界上第一种磷酸钙生物活性骨水泥后，相关的研究便迅速展开，磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement, CPC或calcium phosphate bone cement, CPBC)是一种自固化非陶瓷型羟基磷灰石类材料，它是一种以各种磷酸钙盐为主要成分，在生理条件下具有自固化能力和成骨活性的材料，能在一定的温度(37℃),湿度(100%)下发生水化反应得到与人体骨组织相近的固化产物HA，并且在体内能诱导新骨形成。HA在人体骨中的含量在73%-76%之间，是人体骨的主要无机成分，这使得其具有良好的生物相容性和生物安全性。另外，CPC具有能根据缺损部位准确塑形，降解速度适中，不需烧结，可与多种有机材料复合，可吸收降解并被新生骨组织替代，无毒性、生物相容性好等优点，解决了长期以来人体骨缺损治疗的难题。显示出陶瓷类材料无可比拟的优势，己被广泛用于矫形外科和牙科等领域。Ohura等^[8]在兔的股骨髁内植入小的CPC块，同样观察到4周后CPC几乎完全吸收，并被新骨替代，16周后时骨洞内新生骨呈小梁状，认为CPC能刺激骨形成并很快被骨组织替代。Lu等^[9]在兔股骨和胫骨髁部钻洞植入CPC，发现随着新骨的形成，材料被逐渐降解，并出现巨噬细胞，未见炎症反应。到第4周，新骨和CPC边缘形成紧密结合。因而认为CPC是修复骨缺损的理想材料。自从美国食品与药物管理局((FDA)于1991年批准其用于修复骨缺损以来，各国学者纷纷投入到CPC的研究中。CPC已成为生物材料研究中最为活跃的研究领域之一。目前多家公司在生产各种磷酸钙骨水泥如:BoneSource(Howmedica)；Cortoss(Orthovita)；Norian SRS；磷灰石复合树脂(CAP)(Kuraray)；Biopex(Mitsubishi)；Biobon=α-BSM(Etex/Biom-Merck)；CementekHAC(Howmedica)；Mimix:以及瑞邦骨泰(上海瑞邦)等。目前在临床上应用得最多的是Norian SRS,Bone Source及α-BSM等，国内瑞邦骨泰亦已投入临床使用^[10]。

CPC骨水泥是由粉剂及液剂组成，固相包括磷酸四钙((TTCP)、磷酸三钙((TCP)、二水磷酸氢钙(DCPD)、无水磷酸氢钙(DCPA),磷酸二氢钙(MCPM),氟磷灰石(FAP)等磷酸钙盐，钙磷比因配方不同通常介于1.3-2.0之间。CPC的粉剂一般采用两种或两种以上的磷酸钙粉末，其中一种偏酸性，一种偏碱性，如酸性的磷酸氢钙和碱性的磷酸四钙，同时为加快凝固速度和提高强度，可添加少量的羟基磷灰石晶种和氟化物等作为凝结促进剂。液剂可以用水、稀磷酸、生理盐水、手术部位的血液、稀的磷酸或磷酸盐溶液、蒸馏水、血清、胶原溶液、甘油等。CPC是由固相和液相两部分组成，固液相中均可添加一些辅助成分，如氟化物(氟化钙等)二者调和后，在室温或体内生理环境下自行固化结晶，其反应最终产物有三种:磷灰石((PHA)、透钙磷石((DCPD)、无定型羟基磷灰石(ACP)，其中ACP能很快地转化成PHA，因此CPC分为:(a)磷灰石CPC、(b)透钙磷石CPC。目前，大量的研究聚焦于磷灰石CPC。磷灰石CPC是指将粉剂和液剂按一定的比例调和成膏状后注入到修复部位，磷酸钙盐发生水化反应，在人体内环境和温度下自行硬化，并最终转化为与人体骨组织结构和无机成分相似的针状或网状的羟基磷灰石结晶(HAP)的一类骨水泥。此水化反应不产热，反应的结果是材料发生固化，与普通水泥类似，其固化反应过程遵循0级反应动力学原则^[11]。CPC的固化反应体外凝固时间大多数认为6-20min，凝固的环境温度为37℃，相对湿度90-100%，最终完成需3-4h。其固化反应可分为两类:一类固化反应基于酸碱平衡原理；另一类固化反应是反应物与产物有相同的钙磷比。LeGeros^[12]将CPC的生物学特性总结为:①相似性，与骨的化学组成相似；②可吸收性，能随时间逐渐吸收，并被宿主细胞所替代；③生物活性，可以在骨的表面形成HA，与周围的松质骨紧密、直接、突起样结合；④可促进细胞的功能和表达；⑤骨传导作用，能提供新骨形成的支架或模板。

1.2.2复合型CPC

CPC还可以与其它物质复合，复合后的CPC兼顾了CPC和其它物质的共同的优点，进一步改善了CPC的性能，使其更适合临床的应用。

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