一篇跨学科高中生阅读资料——人工仿骨材料

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1、26胡琴王明召~tltg顾红霞：一篇跨学科高中生阅读资料——人工仿骨材料教学园地一篇跨学科高中生阅读资料——人工仿骨材料术胡琴王明召张博顾红霞北京师范大学化学学院北京100875摘要介绍仿骨材料研究的基础知识，内容涉及化学和生物学2个学科，供一线化学教师或生物学教师选作高中生的阅读材料。关键词高中；阅读资料；仿骨材料中图分类号：G633．8G633．91文献标识码：B文章编号：1671—489X(2010)09—0026一O3ReadingMaterialforSeniorMiddIeSchooIStudents：Imitatiol3BoneMateriaIs／／HuQ

2、in．WangMingzhao，ZhangBo，GuHongxiaKeywordsseniormiddleschool：readingmaterial：imitationbonematerialsAuthor’saddressInstituteofChemistry，BeijingNormalUniversity，Beijing，China100875生命体具有强大的再生和自我修复功能，骨折后断裂处一步组装，形成胶原纤维。该过程如图l右部所示。可以自动愈合。但是，如果创伤、肿瘤等原因引起骨组织大面积缺损，仅仅依靠生命体的自动修复功能是很难使断裂处快速痊愈的。怎么办呢?一

3、种办法是进行自体骨移植，但是自体骨供应有限，并且需要进行二次手术，往往给病人造成极大痛苦；另一种办法是异体骨移植，但是这种方法又存在免疫排斥反应甚至致病的缺陷。科学家发明的仿骨材料既是很好的骨组织工程支架材料，也能促使骨组织快速图1骨组织的分级结构示意图修复和再生，有助于解决这一医学难题。1天然骨的奥秘2)胶原作为生物矿化的模板——界面分子识别与生长1．1骨的结构“’骨是胶原微纤维连接成的网状骨架上沉调控。胶原纤维周期性间隔的孔区以及重叠排列部位起到骨积了片状或针状骨矿晶体的复合体。有机成分胶原纤维的盐沉积的模板作用。结合在这些孔区内或附近的有机物的作用是增加韧性和弹性

4、，还含有少量无定形基质(主要是羧基和磷酸根基团(一POH。)通过各种作用力吸引矿物离子非胶原蛋白)。无机成分(骨盐)主要是纳米羟基磷灰石(Ca、PO)，即产生有机一无机界面识别作用，使无机[Ca。(P0)(0H)](HA)，主要作用是增强骨的力学强度。物在有机基质表面的局域浓度达到过饱和。由于有机基质的以长骨的骨密质为例，骨的分级结构如图1’所示：作用，无机物的临界形核尺寸显著降低，晶体成核的自由能骨在微米尺度上的结构单位是哈佛氏骨单位，每个骨单位由降低(见图2)，因而晶体形成。1个位于骨单位中央的哈佛氏管和数层围绕哈佛氏管呈同心圆排列的层状骨板构成，骨板问存在骨细胞；

5、骨板由胶原纤△机基质维构成，每层骨板中的胶原纤维相互平行，相邻骨板中的胶司原纤维互成一定的角度；胶原纤维包含胶原微纤维和羟基磷△灰石；胶原微纤维由呈三股螺旋的胶原分子组装而成。1．2骨的形成天然骨的形成是一个缓慢的生物矿化过程。细胞分泌的有机大分子和无机离子在界面处发生相互作用，r存在有机基质有机大分子对矿物质的形成起模板作用，使矿物质具有一定图2自由能与临界形核尺寸的关系的形状、尺寸、取向和结构。如图3N示，在HA晶体表面，1个ca离子与胶原分子1)胶原分子形成胶原纤维”。成骨细胞产生并释放胶表面的羧酸根形成2个配位键，与3个PO分别形成3个配位原分子，5根胶原分子通

6、过一个分子的羧基末端与另一个分键，与另一个P0。卜形成2个配位键，这种成键特点使HA等骨子的氨基末端以共价键作用首尾相连，加上侧链相互作用，盐在胶原基体上择优取向生长。这种骨盐矿化先是发生在相互错开，形成孔区与重叠区相互交替的胶原微纤维。经进胶原分子之间的空隙，然后逐渐发展到纤维表面，纤维的间资助项目：教育部实验室共建项目，北京市教育委员会共建项目(102—105834)，北京师范大学教学建设与改革项I：t。2010年3月下第9期(总第195期)中国教育技术装备教学园地胡琴王明召张博顾红霞：一篇跨学科高中生阅读资料——人工仿骨材料27与含有胶原的磷酸溶液(图的左部)反应

7、，该装置可避免HA产物结构不均匀的现象，得到纳米级HA一胶原复合材料。产物压成圆柱形并植入动物胫骨后，体液的侵蚀逐渐将其降解为碎片。破骨细胞黏附于材料表面并吸收这种材料，使材料胶／O一表面形成许多陷窝孔，同时成骨细胞贴附在孔隙表面，发生新骨的形成过程，这与自体移植骨时发生的过程类似。该法原c／一合成的HA一胶原复合材料成分和结构与生物骨类似，可作为植骨材料。图3HA晶体表面的ca与胶原分子的结合隙大小约束和限制着骨矿物的结构形态和尺寸。因为体内胶原处于动态，它在时间和空间上一直调控着骨矿物质的生长，从而使骨矿物质获得独特的形貌、尺寸及晶体