水凝胶仿生关节软骨材料的制备与性能评价

摘要

人工材料修复受损软骨,实现与周围机体组织的完好整合,阻止软骨进一步退化,被认为是很有发展潜力的一种软骨修复手段。本研究从材料仿生和功能仿生的角度出发,采用原位复合的方法在聚乙烯醇(PVA)水溶液中合成晶相纳米羟基磷灰石(n-HA)颗粒,然后经过冷冻解冻和辐照交联相结合的方法制备n-HA/PVA水凝胶仿生关节软骨材料,并对相关性能进行了评价,主要结果如下:
　　1.反复冷冻解冻和γ射线辐照交联相结合的方法制备的PVA水凝胶具有与天然软骨相似的三维多孔网络结构和含水量(约75％);拉伸和压缩特征曲线都呈现出典型的非线性关系,力学强度随PVA初始浓度和冷冻解冻次数的增加而增大,随辐照剂量的增加先增大后减小,辐照剂量为100kGy时力学强度最高。
　　2.在PVA水溶液中原位合成的晶相HA陶瓷颗粒为纳米针状结构,PVA分子链在HA结晶过程中起晶核和矿化模板作用,HA相和PVA基体相之间存在一定的氢键结合;n-HA/PVA复合水凝胶材料具有三维多孔网络结构,辐照处理后结构更为致密。
　　3. n-HA/PVA复合水凝胶材料的拉伸和压缩力学响应分别符合多项式和指数变化规律;力学强度随辐照剂量和n-HA添加量的增大先上升后下降,辐照剂量为100kGy、n-HA含量为6wt％时机械力学性能最优。
　　4.采用两相有限元方法模拟压凹过程中液体相所承受的载荷情况,结果表明天然软骨和复合水凝胶材料均具有两相特性;Voight-Boltzmann串联模型能够准确地描述自然软骨和复合水凝胶的压凹蠕变行为,说明它们有着极为相似的粘弹性力学特征。
　　5.摩擦起始阶段,两相润滑机制起主导作用,摩擦系数小,随着载荷作用时间的延长,摩擦系数渐渐增大并达到平衡,润滑机制转为边界润滑;与软骨-软骨摩擦配副相比,水凝胶-软骨摩擦配副的摩擦系数相对较高,但比不锈钢-软骨摩擦配副的摩擦系数小且稳定;复合凝胶材料的摩擦系数随接触应力的增大而增大,而且在低载区摩擦系数的增加幅度较高载区大;分析纳米羟基磷灰石填充和辐照交联改性的协同效果表明,当n-HA添加量为5wt％,辐照剂量为100kGy时,获得的复合水凝胶材料的生物摩擦学性能最优;经过1h的摩擦实验,磨损轨迹表面形成了一个深度约60μm的凹坑,表面粗糙度较实验前有所降低,而且与之配副的软骨销表面粗糙度是天然软骨自配副软骨销表面粗糙度的3倍,但仅仅是与不锈钢配副的软骨表面粗糙度的60％。
　　6.溶血和MTT试验结果表明,n-HA/PVA复合水凝胶不具有急性溶血作用和细胞毒性;局部植入实验表明材料未引起大兔的肝、肾、脾等脏器以及肌肉和滑膜组织明显的毒性反应,说明制备的水凝胶仿生软骨材料具有良好的生物相容性。

目录

摘要

Abstract

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第一章 绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 关节软骨的结构、组成与功能

1.2.1 关节软骨的结构

1.2.2 关节软骨的组成

1.2.3 关节软骨的功能

1.3 关节软骨力学性质

1.3.1 关节软骨的静态拉伸和压缩性能

1.3.2 关节软骨的粘弹特性

1.3.3 关节软骨的渗透性

1.4 关节/关节软骨润滑与磨损

1.4.1 液膜润滑

1.4.2 边界润滑

1.4.3 混合润滑

1.4.4 两相润滑

1.4.5 关节软骨磨损

1.5 关节软骨有限元模型

1.5.1 单相模型

1.5.2 两相模型

1.5.3 三相模型

1.6 关节软骨仿生设计研究

1.6.1 结构仿生

1.6.2 材料仿生

1.6.3 功能仿生

1.6.4 仿生关节软骨设计思路

1.7 主要研究内容

第二章 物理-化学交联聚乙烯醇水凝胶的制备及性能研究

2.1 引言

2.2 材料和方法

2.2.1 实验材料和仪器

2.2.2 PVA水凝胶的制备

2.2.3 表征和性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 显微形貌分析

2.3.2 含水量

2.3.3 拉伸性能

2.3.4 压缩性能

2.4 小结

第三章 辐照交联n-HA/PVA复合水凝胶材料的制备及表征

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.2.1 实验材料和仪器

3.2.2 n-HA/PVA复合水凝胶材料的制备

3.2.3 结构表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 制备工艺的选择

3.3.2 XRD衍射分析

3.3.3 FT-IR分析

3.3.4 显微形貌分析

3.4 小结

第四章 辐照交联n-HA/PVA复合水凝胶拉伸和压缩力学行为

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 单轴拉伸性能

4.3.2 非围限压缩性能

4.4 小结

第五章 自然软骨和n-HA/PVA复合水凝胶仿生软骨的蠕变性能

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 实验材料

5.2.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 自然关节软骨的压凹蠕变特性

5.3.2 复合水凝胶材料的压凹蠕变特性

5.4 小结

第六章 辐照交联n-HA/PVA复合水凝胶的摩擦学性能研究

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.2.1 实验材料

6.2.2 实验方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 摩擦系数随时间的变化规律

6.3.2 n-HA含量对复合凝胶材料摩擦学行为的影响

6.3.3 辐照交联的影响

6.3.4 纳米颗粒填充和辐照交联的协同作用

6.3.5 接触应力的影响

6.3.6 表面粗糙度测试

6.4 小结

第七章 水凝胶仿生关节软骨的生物安全性评价

7.1 引言

7.2 材料与方法

7.2.1 溶血试验

7.2.2 MTT试验

7.2.3 慢性毒性试验

7.2.4 肌肉埋植和囊内植入试验

7.2.5 统计学分析

7.3 结果与讨论

7.3.1 溶血试验

7.3.2 细胞毒性试验

7.3.3 慢性毒性试验

7.3.4 肌肉埋植和囊内植入试验

7.4 小结

第八章 结论与展望

8.1 全文总结

8.2 创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的论文发表及论著撰写情况