衰减全反射-红外成像结合主成分分析用于聚乳酸/羟基磷灰石复合材料的体外仿生矿化研究

摘要

聚左旋乳酸/羟基磷灰石(Poly(L-lactic acid)/hydroxyapatite，PLLA/HA）复合材料具有良好的生物相容性、生物可降解性、较好的可塑性和较高的力学性能，是理想的骨组织工程支架材料。衡量生物复合材料性能的主要指标是降解性，其降解速度需与新组织的生长速率相一致。聚乳酸/羟基磷灰石生物复合材料的降解速度主要依赖于聚乳酸的分子量、微观结构、结晶度以及HA的含量等。本工作采用溶剂浇铸-盐淅沥法制备具有不同微观结构的PLLA/HA生物复合材料，将其置于37℃的生物模拟体液(simulated body fluid，SBF)中进行体外矿化实验研究并采用红外成像(ATR FTIR mapping)技术结合主成分分析(principal component analysis，PCA)方法对PLLA/HA生物复合材料在矿化过程中矿化动力学和聚乳酸基质的结晶转变进行系统研究。
　　对不同矿化天数下复合材料的红外图像进行单变量分析，发现在SBF中随着矿化的进行PLLA/HA复合材料红外图像颜色由蓝色逐渐变为红色，表明其矿化程度在逐渐加深;采用ATR FTIR mapping结合PCA方法进一步研究了不同矿化天数下复合材料的矿化动力学，发现随着矿化的进行，聚乳酸在不断的水解，同时在复合材料的表面及其孔壁上有新的羟基磷灰石生成。通过对不同矿化天数下多孔结构复合材料（p-PLLA/HA）和致密结构复合材料(c-PLLA/HA)的第一主成分(PC1)载荷谱中HA和PLLA的特征谱带（1045cm-1和1755cm-1）进行分析，计算它们的峰面积比值(I1045/I1755)，首次提出两种不同的矿化动力学模型，即当PLLA/HA复合材料浸泡在SBF溶液中时，其矿化遵循零级动力学模型;而当其浸泡在PBS溶液中，其矿化遵循二级动力学模型。
　　此外，为进一步理解PLLA/HA复合材料的体外矿化进程，系统研究了PLLA/HA体外矿化过程中聚乳酸基质的结晶转变情况，并首次从分子水平上提出了其矿化机制。本工作制备了三种不同构象的纯PLLA，通过分析其ATR FTIR光谱，发现两组不同位置的峰对(1384/1361、1211/1184)可用来区分无定型PLLA(amor-PLLA)、α晶型PLLA(α-PLLA)和α'晶型PLLA(α'-PLLA)三种形态。通过计算不同矿化天数下复合材料PC1载荷谱中两组峰对的峰面积比值，并结合XRD、DSC结果，发现PLLA/HA复合材料中PLLA基质的降解和结晶转变是一个交替循环的过程。多孔结构的PLLA/HA复合材料随着矿化的进行，其降解在复合材料的表面和内部同时发生，amor-PLLA逐渐增多的同时，存在着α-PLLA与α'-PLLA的相互转变。对于c-PLLA/HA复合材料而言，PLLA的降解主要发生在复合材料的表面并逐级渗透，即随着复合材料表面的amor-PLLA降解，SBF逐级渗透进入内部，打破PLLA原有的规整结构从而降解。本工作为深入理解聚乳酸类复合材料的体外矿化提供了可靠的理论基础以及全新的研究思路。

目录

声明

摘要

缩写对照

第一章 绪论

1．1 骨组织工程概述

1．1．1 支架材料的基本要求

1．1．2 支架材料的种类

1．1．3 支架材料的制备方法

1．2 聚乳酸／羟基磷灰石生物复合材料

1．2．1 聚乳酸

1．2．2 羟基磷灰石

1．2．3 聚乳酸／羟基磷灰石生物复合材料

1．3 聚乳酸／羟基磷灰石纳米复合材料的矿化

1．3．1 体外矿化

1．3．2 体内矿化

1．3．3 聚乳酸／羟基磷灰石复合材料的研究方法

1．4 傅里叶变换红外显微成像

1．4．1 红外显微成像系统

1．4．2 红外显微成像的原理

1．4．3 红外显微成像的工作模式

1．4．4 红外图像的数据分析

1．4．5 红外显微成像的应用

1．5 本论文主要内容和创新点

第二章 聚乳酸／羟基磷灰石纳米复合材料的制备和表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 样品制备

2．2．4 材料表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 羟基磷灰石的表征

2．3．2 聚乳酸表征

2．3．3 PLLA／HA复合材料的表征

2．4 小结

第三章 红外成像结合主成分分析研究聚乳酸／羟基磷灰石纳米复合材料的体外矿化动力学

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 SBF缓冲溶液的配制

3．2．4 PLLA／HA复合材料的体外矿化

3．2．5 样品表征

3．3 主成分分析方法用于图像分析的原理

3．4 结果与讨论

3．4．1 PLLA／HA体外矿化的宏观观察

3．4．2 红外显微成像研究PLLA／HA复合材料体外矿化动力学

3．4．3 PLLA／HA复合材料体外矿化的微观形貌分析

3．4 小结

第四章 红外成像结合主成分分析研究PLLA／HA复合材料在体外矿化中聚乳酸基质的结晶转变

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 样品制备

4．2．4 聚乳酸／羟基磷灰石的体外矿化

4．2．5 样品分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同的晶型的聚乳酸表征

4．3．2 红外成像结合主成分分析研究聚乳酸／羟基磷灰石体外矿化过程中聚乳酸基质的结晶转变

4．3．3 X射线衍射表征PLLA／HA复合材料在体外矿化中聚乳酸的结晶变化

4．3．4 差示扫描量热分析

4．4 小结

第五章 结论与展望

参考文献

研究成果及发表的论文

致谢

作者和导师简介