基于聚N-异丙基丙烯酰胺有机-无机复合水凝胶的制备与表征

摘要

关节软骨是骨表面关节间复杂的活性结缔组织，损伤后基本不能自我修复，目前临床上又缺乏有效的治疗方法。聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPA）水凝胶由于其良好的生物相容性以及接近人体生理温度的最低临界溶解温度（LCST），因此在组织工程等方面都有着广泛的应用，是用作软骨支架的潜在理想材料。然而传统化学交联的PNIPA水凝胶无相变，不具有可注射性；线性PNIPA水凝胶机械强度差、对外界刺激响应速率慢，极大地限制了它的应用与发展。本论文以制备具有优异的力学性能、快速响应速率的可注射温敏性水凝胶支架材料为研究目标，以纳米羟基磷灰石（nano-HA）和类水滑石（LDHs）为无机交联剂，得到了具有优异性能的有机-无机复合水凝胶。本论文的研究内容由以下两部分组成： 一、基于聚N-异丙基丙烯酰胺/羟基磷灰石（PNIPA/HA）的高强度、可注射温敏性水凝胶的制备与研究： （1）以(NH4)2HPO4和Ca(NO3)2为前驱体，添加PVP-K30并改变其添加量，共沉淀法制备nano-HA。采用粒径分析仪、FTIR、XRD、SEM和TGA对nano-HA进行结构及性能分析。结果表明，当PVP-K30添加量为2wt.%时，nano-HA轴径比最大且粒径分布最窄，粒径约为350nm。Nano-HA晶型单一、结构良好，是一种棒状结构，具有良好的热稳定性。 （2）以NIPA为单体，KPS作引发剂，四甲基乙二胺（TEMED）作促进剂，nano-HA作交联剂，经自由基聚合法制备了一系列PNIPA/HA复合水凝胶。通过FTIR、SEM、TGA、DSC、流变分析和溶血实验等方法对PNIPA/HA复合水凝胶的结构、热学及力学性能进行了分析。结果表明PNIPA/HA水凝胶存在溶胶到凝胶的相转变，LCST约为33℃。PNIPA/HA水凝胶具有规则的孔洞结构和良好的热稳定性，是一种非溶血性材料。PNIPA/HA水凝胶在25℃时具有较宽的线性粘弹区间，储能模量G'一直大于损耗模量G''，当温度达到33℃以上时，水凝胶的G'和G''均出现较大幅度的增加，G'最高可达约24kPa。该水凝胶属于非牛顿流体，具有剪切稀化特性和可注射性，在软骨组织工程支架等方面有较好的应用潜能。 二、基于聚N-异丙基丙烯酰胺/类水滑石/羟基磷灰石（PNIPA/LDHs/HA）的高强度、快速响应性温敏性水凝胶的制备与研究。 由于PNIPA/HA水凝胶低温时G'较高，因此流动性较差，为提高水凝胶的可注射性，制备了系列PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶。 （1）采用稳态共沉淀法，以Mg(NO3)2和Al(NO3)3为前驱体，控制初始原料比n[Mg]∶n[Al]=3∶1，在pH=10的条件下制备Mg-AlLDHs。通过FTIR、SEM、XRD和TGA对其进行表征，实验结果表明，合成的LDHs晶体粒子粒径约为80nm，是一种六边形片层状粒子，粒径均匀，晶型单一，具有良好的热稳定性。 （2）以NIPA为单体，KPS为引发剂，TEMED为促进剂，nano-HA与LDHs作交联剂，经自由基聚合法制备了系列PNIPA/LDHs/HA温敏性复合水凝胶。通过FTIR、S EM、TGA、DSC、溶胀/退溶胀、流变分析和溶血实验等方法对PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的结构、热学及力学性能进行了分析。研究表明LDHs的加入并没有显著影响PNIPA/HA水凝胶的LCST及热稳定性，PNIPA/LDHs/HA水凝胶具有可逆的溶胀、退溶胀性能。通过流变学测试发现PNIPA/LDHs/HA水凝胶在低温时G''始终大于G'，表明水凝胶以流动性的液态为主，当温度超过LCST后G'迅速增加，最大模量约为PNIPA/HA水凝胶的4.8倍，是PNIPA/LDHs水凝胶的98倍。这说明LDHs的加入，大大提高了低温时复合水凝胶的流动性，并且极大地提高了相变后的凝胶模量，有利于得到高机械强度的可注射性水凝胶体系，说明带相反电荷的纳米粒子间存在的静电引力会与氢键作用产生很好地协同增强效应。所得PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶在组织工程等领域具有更为广阔的应用前景。

目录

声明

符号说明

1前言

1.1关节软骨及软骨组织工程

1.1.1关节软骨及软骨损伤

1.1.2软骨组织工程

1.2软骨组织工程支架材料

1.2.1天然生物材料

1.2.2人工合成高分子材料

1.2.3复合材料

1.3水凝胶

1.3.1水凝胶概述

1.3.2温敏性水凝胶

1.3.3聚合物/无机纳米复合水凝胶

1.4纳米羟基磷灰石

1.4.1纳米羟基磷灰石的结构

1.4.2纳米羟基磷灰石的制备方法

1.4.3纳米羟基磷灰石的研究现状及应用

1.5类水滑石

1.5.1类水滑石的结构及性质

1.5.2类水滑石的制备方法

1.5.3类水滑石的研究应用及现状

1.6选题依据和研究内容

1.6.2研究内容

2材料与方法

2.1试剂与仪器

2.1.1化学试剂

2.1.2实验仪器

2.2实验步骤

2.2.1基于PNIPA/HA复合水凝胶的制备及表征

2.2.2Nano-HA及PNIPA/HA的表征

2.2.3基于PNIPA/HA/LDHs复合水凝胶的制备及表征

2.2.4 LDHs及PNIPA/LDHs/HA的表征表征手段

3结果与分析

3.1基于PNIPA/HA复合水凝胶的表征

3.1.1 Nano-HA的粒径及晶型结构分析

3.1.2 PNIPA/HA复合水凝胶的宏观样貌分析

3.1.3 PNIPA/HA复合水凝胶的红外分析

3.1.4 PNIPA/HA复合水凝胶的形貌分析

3.1.5 PNIPA/HA复合水凝胶的DSC分析

3.1.6 PNIPA/HA复合水凝胶的热重分析

3.1.7 PNIPA/HA复合水凝胶的流变分析

3.1.8 PNIPA/HA复合水凝胶的溶血实验

3.1.9 PNIPA/HA复合水凝胶交联机理

3.2 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的表征

3.2.1 LDHs及PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的结构分析

3.2.2 LDHs及PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的形貌分析

3.2.3 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的DSC分析

3.2.4 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的热重分析

3.2.5 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的溶胀分析

3.2.6 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的退溶胀分析

3.2.7 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的流变分析

3.2.8 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的溶血实验

3.2.9 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的交联机理

4讨论

4.1 PNIPA/HA复合水凝胶的交联机理分析

4.2 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶的交联机理分析

5结论

5.1 PNIPA/HA复合水凝胶

5.2 PNIPA/LDHs/HA复合水凝胶

6创新之处

参考文献

致谢

9攻读学位期间发表的论文