磷酸酯化聚乙烯醇的制作及体外模拟生物矿化概述

　　磷酸酯化聚乙烯醇的制作及体外模拟生物矿化概述1绪论1.1.引言器官或者组织的缺损失效是人们面临的最严重的健康问题之一[1]，骨作为人体最大的组织器官，对生命活动起着重要作用，但同时也最易引起缺损，而治疗骨健康需要花费患者大量的费用和心血，并且对于此类疗法一般是采用组织或器官的移植，但是目前面临的严峻问题是供体数量的短缺。那么，怎样找到一种人工可控的方式来获得这种骨组织再生修复材料，已成为全世界众多科学家共同奋斗的目标。由于此类材料的某些性能与人体中的肌肉-骨骼系统相似，所以一般用来作为修复和替换。根据在生理环境中的化学活性，生物陶瓷又可分为三种类型：近于惰性的生物陶瓷，如Al2O3；可吸收的生物陶瓷，如磷酸三钙陶瓷；表面活性的生物陶瓷，主要是生物活性玻璃陶瓷和羟基磷灰石生物活性陶瓷。生物陶瓷在体温下任性较差，很脆。表1.1列出了生物陶瓷材料的主要性能依据，可供参考。1.2.生物材料1.2.1.生物材料学的发展20世纪60年代末和70年代初，在美国的Clemson大学举行的生物材料研讨会上，biomaterial一词首次被提出，此后被普遍采用。富于想象力的内科医生试图通过各种移植实验以发现有价值的材料，但常常发现植入的材料会危及生命，通过Clemson讨论会人们才知道，内科手术技术本身已不是主要的影响因素，植入材料的生物相容性才是需要值得关注的问题。于是，工程师们开始按照医生的要求设计材料，科学家们再研究生物相容性的本质，由此开始了多学科对生物材料的共同研究。同时，以生物材料为基础，还衍生出药物释放、生物传感器和人工器官的研究方向。至此，围绕生物材料，产生了一个新的学科[2]。20世纪90年代以来，我国在生物材料方面的研究也取得了快速的发展。目前，对生物材料的定义有两种[3,4]：一种是指天然生物材料，这类材料由生物体通过一系列的生物过程形成，如胶原、骨、牙等，这种定义的内涵相当明确而固定。另一种是指生物医用材料，目前其定义得到不断的发展与完善。1997年，美国的S.I.Stupp 教授在其发表在《Science》杂志上的论文中，就把生物材料定义为活组织中的天然材料和用于修复人体的材料[5]。近年来，对生物材料学有重要影响的是组织工程的蓬勃发展[6,7]。生物医用材料的传统概念是希望植入材料能在动物体内或人体内长期稳定地保持其替代组织的功能。而组织工程的思路是在人体组织缺损处植入可吸收的框架材料。组织细胞在框架内增殖，逐渐生长出该组织，同时框架材料逐渐讲解，最后缺损处长出的是人体自身的组织。2实验部分2.1.试剂及其纯化磷酸二氢钾将少量磷酸二氢钾置于坩埚中，于马弗炉中200℃干燥至恒重，于干燥器内储存备用。0.25%钒酸铵溶液取2.5g偏钒酸铵溶于600ml沸水中，冷却至60~70℃后，加入20ml浓硝酸，冷却至室温，以蒸馏水定溶成1L的溶液。5%钼酸铵溶液取50g钼酸铵（含结晶水）溶于900ml热水中，冷却至室温后，以蒸馏水定溶成1L的溶液。29%硝酸溶液取300ml硝酸（70%HNO3，比重1.42）与560mL水小心混匀。1mg/ml标准磷溶液准确称取磷酸二氢钾0.4394g，溶于水中后，以蒸馏水定溶成100ml溶液。30mg/ml氯化镧溶液称取20.05g氯化镧（LaCl3.7H2O）溶于水中，转移至250ml容量瓶中，定容。2.2.PPVA的合成及其性能研究以PVA和H3PO4为原料，水为溶剂、尿素为催化剂进行酯化反应制得磷酸酯化聚乙烯醇（PPVA）。具体步骤为：取PVA40g、尿素108g、蒸馏240ml依次加入到装有机械搅拌和回流冷凝管的500mL三口烧瓶中，加热至70~80℃使PVA完全溶解，升温至90℃，将按一定比例称取的磷酸从恒压滴液漏斗加入到三口烧瓶内，在1h内缓慢滴加完毕，以免滴加过快产生大量气泡，滴加后，94~95℃之间反应3h。反应结束后用乙醇将得到的PPVA沉淀析出，将絮状沉淀剪碎之后以酒精浸泡，并用蒸馏水洗涤沉淀至洗涤液pH值在5~6之间。后放入真空干燥箱50℃条件下真空干燥至恒重，放入干燥器中备用。以PVA和H3PO4为原料，DMF为溶剂、尿素和双氰胺作催化进行酯化反应。具体步骤为：称取一定量的双氰胺、尿素和PVA倒入三口烧瓶，在氮气保护下，加热到130℃搅拌使其完全溶解于DMF中，之后用恒压滴液漏斗在搅拌下缓慢加入磷酸，在135℃ 下反应一段时间后得到的产物和沉淀溶解于水中，再用乙醇沉淀下来，得到的固体十分粘稠，其内含有大量杂质，将固体反复的溶解、沉淀，以洗去溶剂DMF、催化剂双氰胺和尿素以及未反应的磷酸。最后将PPVA放入乙醇中浸泡一段时间，得到固体PPVA，置于真空50℃下干燥。2实验部分2.1.试剂及其纯化........(15)2.2.PPVA的合成及其性能研究.....(16)2.3.PPVA膜的生物矿化.........(21)2.4.原位法制备HA/PPVA复合材料.....(24)2.5.多孔复合水凝胶的制备及PPVA影响研究....(25)3结果与讨论3.1.PPVA合成与表征.........(28)3.2.PPVA膜的诱导生物矿化.....(35)3.3.原位法制备HA/PPVA复合材料表征.....(50)3.4.多孔HA/PPVA复合水凝胶表征.....(56)4结论..........(62)3结果与讨论3.1.PPVA合成与表征聚乙烯醇是具有良好水溶性的高聚物，其化学性质决定于它的结构，主要由于仲醇基的存在，可以进行典型的多元醇反应，且含有等价仲醇基的PVA反应较为规则。聚乙烯醇链的结构中有较大的进行反应的自由，同时还可利用相邻的羟基。在本实验中利用PVA高分子链上的羟基可与羧基基团进行酯化反应的性质，用无机磷酸和聚乙烯醇为原料来制备PPVA，从而获得具有一定磷酸酯化度的高分子性质的聚合衍生物。图3-1是合成所得的PPVA与原料PVA的红外对比图谱。对于聚乙烯醇PVA，3332.4cm-1是-OH的伸缩振动强吸收谱带，C-H伸缩振动在2940cm-1处显示吸收，1429cm-1处是C-H的变形振动，1093.4cm-1处是仲醇的C-O伸缩振动吸收峰。P=O伸缩振动吸收本应在1700cm-1附近，但是由于与磷酸酯存在氢键缔合，使P=O移到低波数区。结论 本文合成了具有一定酯化度的磷酸化聚乙烯醇（PPVA），并对其粘度、机械性能等进行一系列的研究。此外，研究了PPVA膜及溶液两种形式在体外的诱导生物矿化作用。研究结果表明：1.溶剂的择取和磷酸的加入量对聚乙烯醇的磷酸酯化度均有一定程度的影响。当以DMF为溶剂时，我们可以得到酯化度高于20%的PPVA，而以水作溶剂时，其酯化度均在10%以下。随着磷酸投入量的增加，酯化度有一定程度的上升，继续增大磷酸含量，酯化度随之下降。所得PPVA的粘度与拉伸强度也与酯化度有一定的关系，随着酯化度的升高，粘度与拉伸强度均降低。2.分别以酯化度为2.52%PPVA、5.68%PPVA和9.27%PPVA进行体外模拟生物矿化，通过测定模拟体液（SBF）中的钙、磷含量变化，pH值变化以及对矿化后的PPVA膜进行质量变化、XRD、SEM等测定，表明PPVA膜能够成功诱导类羟基磷灰石的形成，而PVA膜基本未发生矿化。且矿化前期5.68%PPVA和9.27%PPVA两种膜较2.52%PPVA矿化效果好，但是14天后，磷含量的变化对矿化的影响并不明显。表面磷酸基团能够促进矿化成核。