生物活性玻璃显微结构分析及其矿化性能分析与表征

摘要

本研究通过溶胶-凝胶法制备了CaO-P<,2>O<,5>-SiO<,2>系统生物活性玻璃58S和77S粉体和纤维，通过熔融法制备了目前已临床应用的45S5生物活性玻璃。利用SEM、FTIR、BET及XRD等测试手段及生物材料的体外实验方法(in vitro)研究了化学组成对溶胶-凝胶生物活性玻璃微观结构的影响，以及生物活性玻璃在模拟生理溶液(SBF)中浸泡后的表面反应产物的形成机理、结晶程度和微观形貌等。并同目前已临床应用的45S5生物活性玻璃进行了比较。采用体式显微镜、SEM、FTIR、DSC及XRD等测试手段以及生物材料的体外实验方法(in vitro)考察了这种生物活性玻璃纤维在不同热处理温度下的微观形貌和结晶程度，及结晶程度对在模拟生理体液(SBF)中浸泡后表面反应产物形成能力的影响。 研究结果表明，熔融法制备的生物活性玻璃45S5是一种致密材料，其比表面积相对较低，而溶胶一凝胶法制备的生物活性玻璃是由大量的纳米微球构成，纳米微球周围形成大量纳米级微孔，这些微孔导致材料具有高比表面积。本论文按等大球体的六方堆积来近似描述溶胶一凝胶生物活性玻璃纳米微球的一级结构排列，并完善了溶胶-凝胶材料的二级结构模型。随着CaO含量降低，材料结构中纳米微球的半径减小且均匀度增加，孔径减小且分布范围变窄，比表面积则增高。这种高比表面积对于提高材料的表面吸附能力及生物矿化功能具有重要作用。 45S5的表面矿化层是含有磷酸根的Ca<,10-x>(PO<,4>)<,6-x>(HPO<,4>)<,x>(OH)<,2-x>羟基磷灰石。58S的表面矿化层是B类碳酸羟基磷灰石，其化学式为Ca<,10>(PO<,4>)<,3+>(CO<,3>)<,3-x>(OH)<,2>(0<'2->杂质的碳酸羟基磷灰石。 研究结果表明，通过溶胶一凝胶法制备的CaO-P<,2>O<,5>-SiO<,2>系统生物活性玻璃短纤维，其表面光滑且纤维形态良好，纤维和纤维之间互相粘连搭建在一起，形成无纺毡，可直接作为骨组织多孔修复体及骨组织工程支架。不同热处理温度对纤维结晶程度影响较大，在1150℃热处理的58S纤维表面出现了明显的裂纹和分相现象，纤维结晶较明显。其体外矿化性能研究表明，650℃热处理的58S纤维在模拟生理体液(SBF)中浸泡8h后即在表面形成了碳酸羟基磷灰石(HCA)颗粒，77S纤维直到矿化24h后才在纤维表面形成了羟基磷灰石(HA)颗粒，说明58S纤维的活性比77S纤维的活性高。由于具有良好的生物活性，58S和77S生物活性玻璃纤维均可作为医用高分子材料增强体、新型骨修复材料和骨组织工程支架的基本原料。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2医用生物玻璃的发展概况

1.2.1熔融法生物玻璃的发展

1.2.2熔融法生物玻璃的结构及形貌

1.2.3溶胶-凝胶生物玻璃的发展

1.2.4生物玻璃的矿化原理

1.2.5生物玻璃生物活性与组成的关系及其临床应用

1.3生物活性纤维

1.3.1生物医用纤维简介

1.3.2用于生物材料增强的生物活性纤维

1.3.3生物活性玻璃纤维的研究进展

1.4本课题的研究目的、意义及主要内容

1.4.1本研究的意义和目的

1.4.2本研究的主要内容

1.4.3本研究的创新之处

第二章生物活性玻璃粉体的制备及其纳米结构分析

2.1熔融法与溶胶—凝胶法生物活性玻璃的制备

2.1.1实验材料

2.1.2实验设备

2.1.3熔融法制备生物活性玻璃45S5

2.1.4溶胶—凝胶法制备生物活性玻璃58S和77S

2.2熔融法与溶胶—凝胶法生物活性玻璃的测试与表征

2.2.1几种生物活性玻璃的XRD测试

2.2.2生物活性玻璃的红外光谱测试

2.2.3生物活性玻璃的显微形貌观察

2.2.4生物活性玻璃的比表面积测试

2.2.5生物活性玻璃的小角X射线测试

2.3结果与讨论

2.3.1生物活性玻璃的红外光谱分析

2.3.2生物活性玻璃的XRD分析

2.3.3溶胶—凝胶生物活性玻璃的显微结构分析

2.3.4生物活性玻璃的比表面积分析

2.3.5生物活性玻璃的孔径及孔结构分析

2.3.6生物活性玻璃的小角X射线分析

2.3.7凝胶结构模型

2.4本章小结

第三章生物活性玻璃的体外模拟实验

3.1生物活性玻璃的体外模拟实验

3.1.1实验材料

3.1.2实验设备

3.1.3模拟生理体液SBF的配制

3.1.4生物活性玻璃的体外矿化实验

3.2生物活性玻璃体外矿化实验的测试与表征

3.2.1生物活性玻璃粉体矿化过程中SBF溶液的pH值测试

3.2.2生物活性玻璃粉体矿化前后的红外光谱测试

3.2.3生物活性玻璃粉体矿化前后的XRD测试

3.2.4生物活性玻璃粉体矿化前后的显微形貌观察

3.3结果与讨论

3.3.1生物活性玻璃粉体矿化过程中的pH值分析

3.3.2生物活性玻璃粉体矿化前后的红外光谱分析

3.3.3生物活性玻璃45S5矿化产物的形貌观察及结晶度计算

3.3.4生物活性玻璃77S矿化产物的形貌观察及结晶度计算

3.3.5生物活性玻璃58S矿化产物的形貌观察及结晶度计

3.4本章小结

第四章溶胶-凝胶生物活性玻璃纤维的制备及其性能研究

4.1溶胶—凝胶生物活性玻璃纤维的制备

4.1.1实验设备

4.1.2实验材料

4.1.3溶胶—凝胶法生物活性玻璃纤维的制备

4.1.4溶胶—凝胶法生物活性玻璃纤维的体外矿化实验

4.2生物活性玻璃纤维的测试与表征

4.2.1溶胶—凝胶生物活性玻璃纤维制备过程中pH值表征

4.2.2生物活性玻璃纤维的差热表征

4.2.3生物活性玻璃纤维烧成前后及矿化前后的红外光谱表征

4.2.4生物活性玻璃纤维矿化前后的XRD表征

4.2.5生物活性玻璃纤维的形貌观察

4.3结果与讨论

4.3.1pH值和温度对溶胶—凝胶生物活性玻璃纤维制备过程的影响

4.3.2溶胶-凝胶生物活性玻璃纤维烧成前后的红外光谱分析

4.3.3溶胶-凝胶生物活性玻璃纤维的差热分析

4.3.4溶胶-凝胶生物活性玻璃纤维不同热处理温度下的XRD分析

4.3.5溶胶-凝胶生物活性玻璃纤维宏观形貌的观察

4.3.6溶胶—凝胶生物活性玻璃纤维的显微结构分析

4.3.7溶胶-凝胶生物活性玻璃纤维体外模拟实验的结果与讨论

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见