钙磷陶瓷多孔支架涂层处理工艺与性能研究

摘要

多孔钙磷陶瓷由于具有与天然骨相同的无机化学组成，良好的生物相容性和骨传导性，是理想的骨组织工程支架材料。本文首先采用有机泡沫浸渍法制备了多孔钙磷陶瓷，之后采用浸涂法在其表面制备了明胶/羟基磷灰石（gel/HA）复合涂层，研究了涂层以及工艺参数对陶瓷孔隙率和抗压强度的影响。在此基础上，采用明胶预涂层处理对涂层制备工艺进行了优化。最后，通过体外模拟和细胞复合培养对涂层处理前后多孔钙磷陶瓷的生物学性能进行了研究。 以β-磷酸三钙（β-TCP）为原料，磷酸二氢镁和六偏磷酸钠为高温粘结剂，应用有机泡沫浸渍法制备了多孔支架，烧结后支架的成分主要为（Ca，Mg）3（PO4）2和β-Ca2P2O7。通过正交实验获得在多孔钙磷陶瓷表面浸涂gel/HA复合涂层的最佳工艺参数，即明胶溶液浓度10wt％，HA含量2g，球磨转速400r/min，球磨时间3h，其中明胶溶液浓度和HA含量对最终陶瓷的孔隙率和抗压强度影响较大。经gel/HA复合涂层处理后的多孔钙磷陶瓷的表面变得粗糙，涂层中有大量的微孔存在，抗压强度在孔隙率变化不明显的前提下得到了较大的提高。随着明胶溶液浓度的增大和HA含量的增多，抗压强度表现为先增大后减小。明胶预涂层的加入有效地改善了gel/HA复合涂层与陶瓷基体之间的界面结合，通过对明胶溶液浓度、干燥方法以及交联顺序等进行研究，结果表明，当明胶溶液浓度为15wt％时，采用冷冻干燥和湿态交联，预涂层的改善效果最佳。 本文最后对gel/HA复合涂层处理前后的多孔钙磷陶瓷进行了生物学性能评价，包括体外降解性能、生物活性以及生物相容性。结果表明，经gel/HA复合涂层涂覆前后的多孔钙磷陶瓷在Ringer溶液中的失重随时间的延长而增加，表现出一定的降解性能。在模拟体液（SBF）溶液中浸泡时，在多孔钙磷陶瓷、明胶/高结晶度HA（gel/hc-HA）涂层和明胶/低结晶度HA（gel/lc-HA）涂层的样品表面，都有沉积物产生，但涂层处理后沉积物明显增多，浸泡时间为30d时，gel/lc-HA涂层发生降解。研究表明，经复合涂层处理支架具有更好的生物活性，低结晶度HA更容易降解。体外细胞培养说明，经gel/HA复合涂层处理前后的钙磷陶瓷都没有细胞毒性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 骨组织工程

1.2.1 引言

1.2.2 骨组织工程的研究进展

1.2.3 骨组织工程支架材料及研究进展

1.3 钙磷生物陶瓷多孔支架的制备方法与性能

1.3.1 有机泡沫浸渍法

1.3.2 化学发泡法

1.3.3 添加造孔剂

1.3.4 有机骨架复制法

1.3.5 快速原型制造

1.4 多孔钙磷陶瓷的增强改性

1.4.1 表面改性的研究现状

1.4.2 表面改性的常用方法

1.5 论文工作的提出

第二章 实验材料及方法

2.1 材料制备

2.1.1 主要原料和设备

2.1.2 HA粉体的合成

2.1.3 β—TCP粉体的合成

2.1.4 钙磷多孔陶瓷的制备

2.1.5 浸涂法制备gel/HA复合涂层

2.2 性能表征

2.2.1 X射线衍射(XRD)分析

2.2.2 扫描电镜(SEM)观察

2.2.3 孔隙率测试

2.2.4 抗压强度测试

2.3 体外浸泡实验

2.3.1 主要试剂和设备

2.3.2 Ringer溶液浸泡实验

2.3.3 模拟体液浸泡实验

第三章 浸涂法制备gel/HA复合涂层的工艺研究

3.1 多孔钙磷陶瓷的相组成

3.2 浸涂法制备gel/HA复合涂层的正交试验

3.2.1 正交试验设计

3.2.2 正交试验结果与分析

3.3 浸涂参数对支架孔隙特征的影响

3.3.1 明胶溶液浓度对支架孔隙结构的影响

3.3.2 明胶溶液浓度对孔隙率的影响

3.3.3 HA含量对支架孔隙结构的影响

3.3.4 HA含量对孔隙率的影响

3.4 浸涂参数对支架微观形貌的影响

3.4.1 明胶溶液浓度对支架表面形貌的影响

3.4.2 明胶溶液浓度对支架断面形貌的影响

3.4.3 HA含量对支架表面形貌的影响

3.4.4 HA含量对支架断面形貌的影响

3.5 浸涂参数对支架抗压强度的影响

3.5.1 明胶溶液浓度对支架抗压强度的影响

3.5.2 HA含量对支架抗压强度的影响

3.6 本章小结

第四章 界面结合分析及工艺优化

4.1 预涂层明胶浓度对涂层的影响

4.1.1 预涂层明胶浓度对涂层表面形貌的影响

4.1.2 预涂层明胶浓度对涂层断面形貌的影响

4.1.3 预涂层明胶浓度对涂层处理后钙磷支架抗压强度的影响

4.2 干燥方式对预涂层的影响

4.2.1 干燥方式对预涂层表面形貌的影响

4.2.2 干燥方式对预涂层处理后钙磷支架抗压强度的影响

4.3 交联方式对预涂层的影响

4.3.1 交联方式对预涂层表面形貌的影响

4.3.2 交联方式对预涂层处理后钙磷支架抗压强度的影响

4.4 涂层处理工艺的优化

4.4.1 涂层与陶瓷基体的界面结合

4.4.2 优化处理后的表面形貌和性能

4.5 本章小结

第五章 生物学性能评价

5.1 多孔钙磷陶瓷的Ringer浸泡研究

5.2 多孔钙磷陶瓷的SBF浸泡研究

5.2.1 钙磷多孔陶瓷在SBF浸泡后的表面形貌

5.2.2 经gel/hc—HA复合涂层处理的钙磷陶瓷在SBF浸泡后的表面形貌

5.2.3 经gel/lc—HA复合涂层处理的钙磷陶瓷在SBF浸泡后的表面形貌

5.3 细胞在材料表面的生长情况

5.3.1 材料与方法

5.3.2 结果与分析

5.3.3 综合讨论

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致 谢