基于丝素蛋白模板仿生矿化制备锌掺杂磷灰石纳米复合材料及其电泳沉积涂层的研究

摘要

羟基磷灰石(HA)作为天然骨的主要无机组分，一直是类骨材料研究的焦点。然而，在体外合成媲美天然骨性能的类骨材料一直是个难题。骨组织的形成是多种模板分子和离子共同参与的生物矿化过程。通过模仿生物矿化过程，结合模板调控和离子掺杂，可以实现制备高生物活性的HA纳米复合材料的目的。本课题以丝素蛋白（SF）为模板调控制备HA，并掺杂锌离子制备ZnHA。利用XRD、FTIR、FESEM、TEM及TG-DTA等一系列表征手段，研究模板分子和掺杂离子的引入对HA制备的影响。结果表明，SF可以调节HA晶体的成核和生长，诱导生成长度约为100nm左右的片状HA晶体；掺杂锌离子能够调节SF-HA纳米复合材料的形貌，使其转变为褶皱的纳米片层状形貌。锌离子同时影响丝素蛋白在SF-HA纳米复合材料中的结合方式，促进HA中的B型碳酸根取代。随着锌离子掺杂浓度的提高，最终产物中的SF含量增多，SF-HA复合材料的结晶度降低。因此，HA生成过程中，模板分子SF和锌离子掺杂都有重要的影响。
　　金属及其合金因其优异的力学性能在骨修复手术，尤其是承重部位的骨修复中广泛应用，钛(Ti)制成的植入物是代表之一。在钛植入物表面上构建HA涂层是增强其生物活性的重要措施。HA涂层不仅可以增强金属基材的抗腐蚀性能，还能促进其与骨的整合能力，提高骨修复手术的成功率。本课题利用温和的电泳沉积方式，在室温条件下，在钛基片上沉积了SF-HA(含Zn2+和不含Zn2+)复合纳米涂层，并对其形貌、结构以及生物学性能进行了一系列表征。结果表明，通过电泳沉积法制备的SF-HA复合纳米涂层不仅具有优秀的粘接强度，同时在SBF中可以快速生成新的类骨磷灰石层。Zn2+的掺入不改变涂层的表面形貌，但能提高新生成磷灰石的结晶度。与纯钛相比，SF-HA涂层(含Zn2+和不含Zn2+)修饰后的钛片，不仅利于MC3T3-E1细胞的粘附，还能促进MC3T3-E1细胞的增殖与成骨分化，5％Zn2+（摩尔比）掺杂的SF-HA涂层还能显著促进MC3T3-E1细胞成骨分化在21d时的表达。因而通过电泳沉积法制备的SF-ZnHA涂层在钛基骨修复材料领域具有潜在应用价值。
　　电泳沉积SF-HA涂层会在局部出现裂纹，为了弥补这个不足，本课题引入高强度、高韧性的多壁碳纳米管(MWCNT)对SF-HA涂层进行了增强。结果表明，MWCNT增强后的MWCNT-SF-HA复合纳米涂层不仅拥有优秀的粘接强度及体外促磷灰石沉淀的能力，还能增强钛片的抗腐蚀性能，同时5%Zn2+（摩尔比）掺杂可以进一步增强复合涂层的抗腐蚀性能。
　　以上研究得到的SF-HA、SF-ZnHA及其纳米涂层材料将有望在骨修复材料及钛基骨植入物中得到应用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 羟基磷灰石

1.3 生物矿化

1.4 锌掺磷灰石及其作用

1.5 电沉积制备羟基磷灰石涂层

1.6 课题选择意义

第二章 模板仿生羟基磷灰石的合成

2.1 前言

2.2 材料与仪器

2.3 实验方法

2.4 结果分析

2.5 本章小结

第三章 钛基电泳沉积锌掺杂SF-HA涂层材料的研究

3.1前言

3.2 材料与仪器

3.3 实验方法

3.4 结果分析

3.5 本章小结

第四章 电泳沉积碳纳米管增强锌掺杂SF-HA复合涂层材料的研究

4.1 前言

4.2 材料与仪器

4.3实验方法

4.4 结果分析

4.5 本章小结

第五章 全文总结

5.1 主要研究成果

5.2 创新点

5.3 问题与展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 攻读学位期间的科研成果