医用碳/碳复合材料表面生物功能化修饰

摘要

随着现代医疗技术及交通运输工具的发展，人口老龄化进程加快、交通事故频发，人类对于骨组织替换材料的需求日益增加。碳/碳复合材料（简称C/C）继承了碳单质材料固有的优异生物相容性，克服了单一碳材料的脆性，生物力学性能优良，且C/C表面特有的微孔结构有利于组织的长入，而被认为是一种潜在的骨修复和骨组织替换材料。本文针对医用C/C生物惰性引发骨整合缺陷和细菌感染问题，以提高C/C生物活性与抗菌性，加快骨组织重建，缩短愈合时间为研究目的，利用仿生矿化技术、电化学加速矿化方法、层层自组装技术、共价接枝技术在C/C表面构建羟基磷灰石（HA）改性层、壳聚糖（CS）改性层、CS/HA复合改性层，来提高医用C/C的骨修复能力和抑菌性。借助SEM、EDS、XRD、FTIR、XPS与接触角测试等分析手段表征涂层的表面形貌、物相结构、化学成分、官能团种类与润湿性，采用体外细胞联合培养和抑菌性试验初步探索涂层的骨修复能力和抑菌性。 采用电化学加速矿化的法在C/C表面构建活性磷酸钙盐改性层，并探究各种电化学矿化因素（矿化时间、矿化电流、电解液温度、电解液浓度）对矿化涂层形貌的影响。结果表明：在矿化电压为-1.8V、矿化电流为0.03A、电解液温度为37℃、电解液浓度为1.5倍和矿化时间为10min条件下，可获得低结晶度，具有表面多孔特征，且与基体结合牢固的均匀仿生矿化层结构；电化学矿化和仿生自然矿化得到的晶体成分主要为HA，且仿生矿化21天后得到的HA的平均晶粒度为15.5nm，电化学矿化得到HA的平均晶粒度为10.4nm；结合XPS和EDS结果做进一步分析可知，HA涂层掺杂有Mg和Na元素。 依次通过piranha处理、硅烷化处理、戊二醛处理，将CS接枝到C/C表面。结果表明：C/C接枝CS后，材料表面出现一层连续的、均匀的，且与基体结合牢固的改性层；结合XPS和FTIR结果进一步分析可知，C/C表面出现了一系列CS的特征峰，说明CS被成功键接到C/C表面；每一步化学反应前后，材料表面接触角也发生变化，从侧面证实了CS功能化修饰C/C的成功实施。 采用电化学加速矿化的方法在CS功能化修饰的C/C表面构建HA改性层。结果表明：电化学矿化得到的HA以片状均匀分布在CS的修饰的C/C表面；电化学矿化沉积HA后，材料表面O元素的含量增加，C、N元素含量不断减少，并出现了Ca、P、Mg、Na等元素；在1635cm-1、1551cm-1出现了CS的红外特征峰，在3460cm-1、1408cm-1、1050cm-1出现了HA的红外特征峰，以上结果表明CS/HA复合改性层成功修饰了C/C。 体外细胞培养及抑菌性实验表明：CS修饰的C/C、CS/HA修饰的C/C都具有抑菌性，其中CS/HA修饰的C/C的抑菌性要优于CS修饰的C/C；RT-PCR结果表明RUNX2、BMP-2分别在C/C、CS修饰的C/C、CS/HA修饰的C/C、HA修饰的C/C的基因表达存在差异，其中CS/HA修饰的C/C的RUNX2、BMP-2的mRNA的表达量要优于其它组。以上结果说明，CS/HA复合改性层修饰的C/C具有优异骨诱导能力和抑菌性，有望在骨组织替换材料领域得到应用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 医用C/C骨组织替换材料研究进展

1.3 医用C/C表面改性技术研究进展

1.3.1 等离子喷涂法制备生物活性涂层

1.3.2 仿生矿化法制备生物活性涂层

1.3.3 电化学沉积法制备生物活性涂层

1.3.4 涂覆烧结法制备生物活性涂层

1.3.5 其它改性方法

1.4 壳聚糖的理化性质及医学应用

1.4.1 壳聚糖的理化性质

1.4.2 CS的医学应用

1.4.3 CS的改性

1.5 HA结构性质及其复合材料研究

1.5.1 HA的结构与性质

1.5.2 HA生物涂层研究

1.5.3 HA-CS复合材料研究

1.6 研究思路和研究内容

1.6.1 研究思路

1.6.2 研究内容

第二章 实验简介

2.1 实验材料及试剂

2.1.1 C/C表面功能化修饰处理材料及试剂

2.1.2 体外细胞培养实验材料

2.1.3 体外细胞培养溶液及试剂配方

2.2 实验设备

2.3 表征方法

2.3.1 傅里叶红外光谱仪（FTIR）

2.3.2 拉曼光谱仪（Raman）

2.3.3 X射线衍射仪（XRD）

2.3.4 X-射线光电子能谱（XPS）

2.3.5 扫描电子显微镜+能谱仪（SEM+EDS）

2.3.6 水接触角实验

2.4 材料生物学性能评价

2.4.1 细胞培养及传代

2.4.2 细胞材料共同培养

2.4.3 细胞粘附率检测

2.4.4 材料抑菌性研究

2.4.5 RT-PCR分析

2.4.6 数据统计分析

第三章 C/C表面仿生矿化研究

3.1 C/C表面HA改性层制备的过程

（3）SBF 溶液配制

（4）电化学矿化HA

（5）仿生矿化HA

3.2 结果与讨论

3.2.1 电化学参数对改性层形貌的影响（1）浓度影响

3.2.2 X射线衍射（XRD）分析

3.2.3 傅里叶红外光谱（FTIR）分析

3.2.4 拉曼光谱分析

3.2.5 X-射线光电子能谱（XPS）分析

3.2.6 仿生矿化HA的形貌分析

3.3 本章小结

第四章 CS功能化修饰C/C的制备与表征

4.1 CS功能化修饰C/C的制备

4.2 结果与讨论

4.2.1 X-射线光电子能谱（XPS）分析

4.2.2 傅里叶红外光谱（FTIR）分析

4.2.3 扫描电子显微镜分析

4.2.4 水接触角分析

4.3 本章小结

第五章 C/C表面CS/HA复合改性层的制备与表征

5.1 C/C表面CS/HA复合改性层的制备

（1）CS 功能化修饰C/C 的制备

（2）SBF 溶液的配制

（3）电化学矿化

5.2 结果与讨论

5.2.1 X-射线光电子能谱（XPS）分析

5.2.2 扫描电子显微镜分析

5.2.3 傅里叶红外光谱（FTIR）分析

5.3 本章小结

第六章 几种表面功能化结构的体外生物学性能评价

6.1 细胞粘附分析

6.2 抑菌性分析

6.3 RT-PCR检测成骨基因mRNA表达量

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢