摘 要

本研究是在α-半水硫酸钙/磷酸八钙复合材料中中添加聚吡咯，通过胶原蛋白溶液进行调和，利用冷冻干燥技术，制备出α-半水硫酸钙/磷酸八钙/聚吡咯复合人工骨支架材料。

研究结果表明聚吡咯的加入对复合人工骨材料导电性有一定的影响。α-半水硫酸钙/磷酸八钙复合材料的电导率为0.081S/m，加入聚吡咯后的复合材料电导率为0.111S/m，相比提高了37%。另外，加入聚吡咯对复合材料的抗溃散性，孔隙率，和亲水性均有影响，加入聚吡咯的复合材料抗溃散性下降，但是孔隙率和亲水性均有所提高。

聚吡咯与成骨细胞有着良好的生物相容性并且对成骨细胞无毒性，另外，聚吡咯膜与正电刺激相结合可以加速成骨细胞增殖和分化。本文在α-半水硫酸钙/磷酸八钙复合材料中加入适量的聚吡咯，从而制得具有良好导电性，更加具有医学潜力的复合人工骨材料。

关键词：α-半水硫酸钙；磷酸八钙；聚吡咯；复合人工骨材料：导电性

Abstract

In this study,α-Calcium sulphate -hemihydrate/ Octacalcium phosphate composite material were added in polypyrrole in order to prepare α-CSH/OCP/PPy composite artificial α-Calcium sulphate -hemihydrate/ Octacalcium phosphate composite material by the method of freeze-drying.And the blend agent is collagen.

Research indicates that adding polypyrrole may have some influences on the counductivity of composite artificial bone material.The data of the counductivity of α-CSH/OCP is 0.081S/m while te data of α-CSH/OCP/PPy composite artificial bone material is 0.111S/m,increased by 37%.Besides,adding polypyrrolestill has influences on other aspect like anti-cracking,porosity and hydrophilic.The material which added polypyrrole will have lower anti-cracking,higher porosity and hydrophilic.

Polypyrrole have great biocompatibility with osteoblast and it is non-toxic for osteoblast.Moreover,combining with posttive electrical stimulation, polypyrrole film can accelerate the proliferation and differentiation of osteoblast.This article added polypyrrole into α-Calcium sulphate -hemihydrate/ Octacalcium phosphate composite material in order to get more medical potential bone material which have better counductivity.

Key words:α-Calcium sulphate -hemihydrate; Octacalcium phosphate; polypyrrole; Composite artificial bone material;Conductivity

目录

第1章 绪论 1

1.1生物复合材料 1

1.2骨修复材料 1

1.2.1简介 1

1.2.2类别 1

1.2.3国内外研究现状 2

1.3复合人工骨材料 2

1.3.1研究背景 2

1.3.2简介 3

1.3.3性能要求 3

1.3.4复合材料的选择 3

1.4α-半水硫酸钙 4

1.4.1简介 4

1.4.2α-半水硫酸钙的制备方法 4

1.5磷酸八钙 5

1.5.1简介 5

1.5.2磷酸八钙的制备方法 5

1.6胶原蛋白 5

1.6.1简介 5

1.6.2胶原蛋白的制备方法 5

1.7聚吡咯 6

1.7.1简介 6

1.7.2聚吡咯的制备方法 6

1.7.3四探针法测定电导率 6

1.8课题研究内容及预期目标 7

1.8.1研究内容 7

1.8.2预期目标 7

第2章 α-半水硫酸钙/磷酸八钙/聚吡咯复合人工骨材料的制备 8

2.1引言 8

2.2实验部分 8

2.2.1主要实验材料以及药品 8

2.2.2主要实验仪器 9

2.2.3α-半水硫酸钙的制备 10

2.2.4磷酸八钙 10

2.2.5聚吡咯的制备 10

2.2.6胶原蛋白的制备 10

2.2.7α-CSH/OCP和α-CSH/OCP/PPy复合材料的制备 11

第3章 α-半水硫酸钙/磷酸八钙/聚吡咯复合骨材料的表征与性能检测 12

3.1引言 12

3.2复合材料的表征 12

3.2.1α-CSH、OCP、PPy粉体的红外表征 12

3.2.2α-CSH、α-CSH/OCP以及α-CSH/OCP/PPy复合材料的扫描电镜 12

3.3复合材料的性能测试 12

3.3.1α-CSH/OCP/PPy孔隙率的测定 12

3.3.2抗溃散性测试 13

3.3.3亲水性的测定 13

3.3.4电学测试 13

3.4结果与讨论 13

3.4.1材料的红外及扫描电镜表征 13

3.4.2复合材料的性能研究 16

第4章 结论 20

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1生物复合材料

生物复合材料，是指为获得各项性能均符合要求的生物材料将多种具有不同性能的生物材料复合起来制得的生物材料。制备生物复合材料的目的是进一步的提高或者改善某些生物材料的各项性能,这种材料在医学上的应用主要是用来对受伤的组织进行修复或者是替换的治疗。

生物复合材料被按照不同的基材划分为金属基、高分子基以及陶瓷复合材料三个打雷，这些材料在生物医学的领域应用广泛。由于临床上的需求，人们对生物材料的生物活性以及相容性等性能的要求非常高，而寻找能够相互配合达到各种临床需求的生物材料已经成为相关领域研究的热门课题。

1.2骨修复材料

1.2.1简介

由于骨癌，创伤等原因造成的骨头损伤或者缺失的治疗与修复是目前相关领域研究的一大热门，用于治疗和修复骨头损伤或缺失的材料就是骨修复材料。传统的骨修复材料一般选择自然骨，尤其是自体骨，但自然骨材料存在着来源有限等诸多弊端，于是人们开始考虑用人工骨代替自然骨材料进行骨头创伤的治疗。

1.2.2类别

骨修复材料分为自然骨，人工复合材料以及无机材料。

自然骨是一种由高分子胶原和磷灰石等材料构成的骨头主要成分,自然骨有着能够满足人体力学需求的各项性能。但是自然骨在临床上的应用存在着诸多弊端，例如取骨困难且取自体骨时会伴随着二次伤害，且取骨形状，大小受限，不易塑性，这就限制了自然骨的应用范围；

无机骨修复材料是指用于替代自然骨做骨移植或骨修复的无机材料，主要包括骨水泥、生物陶瓷、磷酸钙化合物等等。目前，在无机材料中，骨移植的代替材料主要为硫酸钙（CS）和磷酸钙(CPC)等钙盐类^[1]。通过对硫酸钙的深入研究人们发现，硫酸钙具有着非常好的生物降解性和生物相容性，骨诱导活性比较，加速新骨生成效果好。单一的无机材料作为骨修复材料往往有着性能上的缺陷，如透明质酸钠有着良好的生物相容性且没有毒性，但是机械强度较低无法满足力学性能的要求。

复合人工骨修复材料是指将两种或者是两种以上的材料复合使用，使其性能相互配合，以满足骨修复材料所需要的各项性能指标。

1.2.3国内外研究现状

国内外的骨组织工程方面的研究人员基于复合人工骨材料性能基本要求，通过不断的对人类骨头成分及性能的分析，发现了一些在临床上具有一定应用价值的骨修复材料。

在早期人们利用与人类骨头有着相近的孔隙的珊瑚碳酸钙来进行骨治疗研究，但是珊瑚的骨材料力学性能差，而且对创口新骨的生长没有诱导作用。基于仿生思想，一位美国科学家发明了治疗效果更好的磷酸钙骨水泥。

在此之后科学家们通过研究还发现了一些其它的符合要求的骨修复材料，目前具有临床上药用价值的骨修复材料还有：甲壳素及其衍生物、纤维蛋白胶等等。复合人工骨材料在生物医药领域上占据着越来越重要的地位，尤其是新型的复合人工骨材料，具有着自体骨移植和金属假体无法比拟的前景。目前，在无机材料中，骨移植的代替材料主要为硫酸钙（CS）和磷酸钙(CPC)等钙盐类。通过对硫酸钙的深入研究人们发现，硫酸钙具有着非常好的生物降解性和生物相容性，骨诱导活性比较，加速新骨生成效果好^[3-5]。除此之外，导电聚吡咯，是一种不光具有导电性，生物相容性也相对较高的材料，用于复合人工骨材料的制备可以一定程度的改良材料的导电率。

1.3复合人工骨材料

1.3.1研究背景

随着科技的进步与发展，人们越来越重视生物医学技术的研究，尤其是对人体的支架—骨头创伤的修复治疗技术的研究。一直以来，寻找到合适的复合材料来修复由于骨头创伤，骨头肿瘤等一些原因造成的骨损失都是骨科领域研究的热门课题。用于进行骨组织修复的材料可以分为自然骨材料和人工骨材料，自然骨是一种由高分子胶原和磷灰石等材料构成的骨头主要成分,有着能够满足人体力学需求的各项性能。基于自然骨良好的力学性能和生物活性，长期以来，人们在对受伤骨组织进行治疗和修复的时候，往往倾向于选择自然骨，尤其是自体骨，因其较强的修复能力和愈合能力，一直被公认为是骨治疗移植的最佳选择。但是由于自体骨取骨处伴随出现的一系列免疫排斥反应和细菌感染风险，且取骨的来源有限，取骨材料形状改造难度大等问题其应用受到限制^[6-8]。为了解决这些单一材料存在的缺陷，复合骨材料应运而生。

到目前为止复合人工骨材料的研究依旧不够成熟，目前存在的复合人工骨材料在导电性能上存在着一定的缺陷，这就需要寻找到合适的物质加入复合材料中以提高人工骨材料的导电性能。

1.3.2简介

基于自然骨有着取骨和塑形困难以及来源有限的缺陷，医学领域研究人员对复合人工骨材料的研究及性能改良方法的关注日益提高。

复合人工骨指的是利用复合材料制备而成的人工骨，具有人工骨的骨诱导作用和骨传导作用，用来充当骨移植的代替材料。用的导电性能，而单一的材料在性能上往往存在缺陷，这就需要寻找能够相互配合达到相应要求的复合材料。而找到符合各项性能要求的复合人工骨材料成为了相关领域研究的于充当骨移植的代替材料要求必须具备良好的生物相容性，合适的力学性能和较好热点及难点。

1.3.3性能要求

基于自然骨的使用限制以及骨材料在临床上的实际需求，人们对人工骨材料提出了一些性能上的要求：首先，复合材料需要具备着良好的生物活性和生物相容性；其次，需要有着接近自然骨的力学性能，能够长期支撑人体行为活动；第三，好的人工骨材料还需要具有微孔结构，使再生骨有生长的空间；第四，制备的材料要方便加工成创伤所需要的形状和大小，便于塑性；再者，人工骨材料还必须要有良好的生物降解性^[2]。除此之外，一个优良的复合人工骨材料还必须具备着良好的生物导电性。由于单一材料在性能上具有局限性，需要我们利用好各种材料的优缺点，有选择的将各种材料配合使用，来获得复合预期性能要求的复合材料。而改良复合人工骨的生物导电性，也是本文研究的重点之一。

1.3.4复合材料的选择

近代研究发现，硫酸钙的生物相容性非常好且对周围的组织没有刺激性影响；此外硫酸钙有着良好的止血效果，能够诱导骨再生和组织的生成。α—半水硫酸钙为原材料制备而成的复合人工骨骨材料有着多孔颗粒的形态，有助于脊柱融合率的提高。并且，α—CSH在遇到水之后可以原位自动固化成为强度相对较高的二水硫酸钙，以达到修复任意骨缺损的目的^[9-10]。

α-半水硫酸钙（α-CSH）能够满足性能要求中“具有良好的生物相容性”以及“具有微孔结构”的要求，但是单一的半水硫酸钙凝固时间短，讲解速率过快，因此需要其他材料复合使用。磷酸八钙（OCP）也是骨头的主要材料之一，可与半水硫酸钙复合使用以改善性能；聚吡咯是很好的生物导电材料，在复合材料中加入聚吡咯可以很好地改善复合骨修复材料的导电性^[11]。

1.4α-半水硫酸钙

1.4.1简介

硫酸钙和磷酸钙等钙盐类是目前人工骨骨移植的主要材料，尤其是磷酸钙，因其良好的生物相容性以及较符合人体力学需求的机械强度，被广泛应用于骨损伤的修复与治疗已经有近一百年的历史了。半水硫酸钙指的是二水硫酸钙脱去1.5个水分子后得到的产物，半水硫酸钙有α和β两种晶体形态。其中，α-CSH是有着低展弦比的短柱状晶体，抗压抗弯的能力较强，且其在遇水后可以原位自动固化成为强度相对较高的二水硫酸钙，以达到修复任意骨缺损的目的。基于这些特性，α-CSH用于复合骨修复材料在骨治疗领域应用广泛。

1.4.2α-半水硫酸钙的制备方法

目前α—半水硫酸钙的制备方法主要有水热法、蒸压法和常压盐溶液法^[12]。蒸压法指的是直接将二水硫酸钙置于高温高压的条件下使其脱水，这种方法产率低而且能耗较高；水热法指的是将CSD前驱体或者是二水硫酸钙经粉碎之后，加入含有转晶剂的溶液中，再将悬浮液置于水热釜内，在120-140摄氏度搅拌反应。这种方法操作简单且转化率高，但是生产成本较高，在工业上的应用范围有限；常压盐溶液法是指将CSD的粉末置于无机盐（酸）的溶液中，在常压下加热，使CSD溶解和再结晶从而向α-CSH转化，这种方法操作条件易于实现，并且生产成本低，更加适合于工业化生产。

1.5磷酸八钙

1.5.1简介

磷酸八钙也是人体骨骼的主要成分之一。磷酸八钙（OCP）具有独特的生物学特性，在生物学和结晶学上常常用作羟基磷灰石的体内前驱体。研究表明磷酸八钙具有比羟基磷灰石更高的生物活性，并且它的生物相容性也比较好。近年来，磷酸八钙（OCP）已经被开发为新的骨替代物，科学研究已经表明，OCP在生理条件下可持续且不可逆的转化为生物磷灰石，并且对骨再生有效^[13]。但是，由于OCP是易碎的颗粒，因此很难经过简单处理作为骨替代材料，另外，OCP不能通过烧结形成更大的固体块，因为烧结会改变OCP的原始晶体结构。将OCP与胶原蛋白（磷酸八钙胶原复合物）混合，可以较好地解决这些问题。

1.5.2磷酸八钙的制备方法

目前磷酸八钙的制备方法^[14]主要有水解法，均相沉淀法、水热法等等。水解反应指的是水和化合物反应，使该化合物分为两个部分。水解法是指在反应体系中加入水使易水解的基团分解的方法。这种生产方法对反应酸碱度要求较为严格且产品质量不好；水热法是指以碳酸钙和磷酸为原料，以水为介质，在高温高压的条件下发生反应，最终使产物溶解并且结晶得到磷酸八钙晶体；均相沉淀法制备OCP指的是以醋酸钙和二水合磷酸二氢钠为原料，配置等浓度的均匀、饱和溶液，控制温度和pH值机械搅拌下均匀滴定反应^[15]；

1.6胶原蛋白

1.6.1简介

胶原是所有生命体最根本的基质，具有着适应生物体内环境的许多特性需求，也是许多生物材料制备的重要材料。并且，胶原相对没有毒性和免疫原性的风险，因此可以用做生物医药材料^[16]。

1.6.2胶原蛋白的制备方法

胶原蛋白的获得一般是从生物材料中提取，如从鲟鱼皮。猪皮或者猪跟腱中提取。本此研究选择的方法是利用猪跟腱进行胶原蛋白的提取^[17]。

1.7聚吡咯

1.7.1简介

聚吡咯（PPy）具有着碳碳双键与碳碳单键交替相排列而形成的共轭结构，其双键中的σ电子是固定住的，而两个π电子可以自由移动，形成π电子云，当存在电厂时，组成π键的电子就可以像金属中的自由电子一样沿着分子链移动，使得聚吡咯高分子具有导电性。基于聚吡咯良好的导电性能，该材料可以作为分子导线使电极和生物活性物质之间的电子能够直接传递，目前已经作新型材料逐渐应用于构建生物传感器。而通过研究证明，PPy聚合物与成骨细胞有着良好的相容性，而Lakard等也通过实验证明，聚吡咯对成骨细胞没有毒性。再进一步的研究中他们发现，PPy膜可以加速成骨细胞的增殖和分化。基于导电聚吡咯这些特点，我们在制备复合人工骨材料的过程中将会使用聚吡咯这一聚合物来改善复合材料的性能^[18]。

1.7.2聚吡咯的制备方法

聚吡咯的制备常温制备法和冰浴制备的方法；常温制备是以无水氯化铁和氯化氢为原料，在常温下搅拌反应的方法；冰浴制备是指以吡咯和乙醇和过硫酸铵为原料，在冰浴下搅拌反应的方法^[19]。

1.7.3四探针法测定电导率

聚吡咯是一种生物导电性能优良的材料，为了研究聚吡咯对复合人工骨材料的导电性的影响，实验选择采用四探针法对各种材料的导电性能进行检测^[20-22]。四探针法是目前测量半导体的材料电阻率最常用的方法，在实际应用上具有着操作简单，精确度高的特点，并且对测试对象的尺寸没有严格的要求。

四探针测量原理图如下：

如图所示，四根排列在一条直线上的探针对待测的材料施加一定的压力，在1和4两根探针之间通过电流I，那么2和3两根探针之间会产生电位差V，根据电流、电位和四根探针之间的间距，通过计算可以得出材料的电阻率。通过电阻率根据公式计算得到电导率，从而比较材料导电性能的大小。

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