模拟生物组织环境基于有机质模板制备羟基磷灰石生物仿生材料

摘要

羟基磷灰石作为一种热力学稳定的结晶相，是脊椎动物骨骼的主要组成成分，因其与骨组织中的无机矿物质最为接近，且具有优异的生物相容性和骨诱导活性，在组织工程领域得到了广泛的研究。然而由于人工合成羟基磷灰石的结构与机械性能无法与自然骨相媲美，故使其应用受到了很大限制。本文即以此为题，在模拟生物组织环境下基于生物矿化的基本原理利用有机质模板对羟基磷灰石的结晶矿化进行调控，制备羟基磷灰石仿生矿物材料，同时探究了模板的浓度和矿化的时间对矿化产物结构的影响，得到了与骨组织结构与性能相近的羟基磷灰石有机无机杂化材料。
　　本文分别采用功能化的氧化石墨烯与超分子自组装体作为模板，在模拟体液37℃恒温环境下仿生矿化制备羟基磷灰石生物仿生材料。功能化的氧化石墨烯是天然的片层结构，其表面的官能团可有效的诱导矿物质的沉积。由异胞嘧啶结构（UPy）制备的具有四重氢键的超分子自组装体则是单体通过氢键间的相互作用，首先形成纳米纤维状结构，再由端基的氢键作用自组装相互缠绕、交叉，受到不同的端基与浓度影响，形成的形貌不同的模板结构。
　　功能化的氧化石墨烯与天冬氨酸端基单体（UPy-Asp）形成的自组装体均为薄膜状模板材料，表面的活性官能团能够诱导羟基磷灰石的成核结晶。羟基磷灰石晶体首先在模板表面成核并逐渐生长，随着时间的延长，薄膜状模板逐渐包裹羟基磷灰石晶体并与之融合，最终得到羟基磷灰石/有机模板的杂化材料。功能化的氧化石墨烯片层模板诱导矿化的产物为片层结构组成的2-3μm花状微球，结晶度良好，其中羟基磷灰石的含量可达22.3％，细胞MTT实验表明产物生物相容性良好；基于UPy-Asp自组装体模板诱导矿化的产物为2-3μm的球状结构，大小均一，球形度高，其中羟基磷灰石的含量可达70%，弹性模量可达5.0 GPa。在模板浓度接近溶解度的条件下，丙三醇端基单体（UPy-Gly）形成的自组装模板为多层级多孔自组装体结构，羟基磷灰石首先在模板孔洞中沉积形核，随后沿孔洞壁与纤维表面逐渐矿化生长融合，最终得到羟基磷灰石/有机模板的杂化材料。分析表明产物中羟基磷灰石的含量可达60%以上，弹性模量可达3.2 GPa。自组装体模板诱导矿化的研究表明，最佳模板浓度均为接近溶解度的浓度，即2.5310-4 mol/L。在此浓度下仿生矿化得到的产物其结构、矿物质相对含量和机械性能都与人骨组织极其相似，具有广阔的生物医用前景，并对研究骨组织生长过程有着重要意义。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 生物矿化概述

1.3 羟基磷灰石概述

1.4 有机质模板对羟基磷灰石矿化的调控作用

1.5 本课题的研究目的与意义

1.6 本论文的主要工作

第2章 实验材料及测试方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 分析测试

2.4 本章小结

第3章 利用功能化的氧化石墨烯片层模板制备羟基磷灰石生物仿生材料

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 利用自组装体模板制备羟基磷灰石生物仿生材料

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢