石墨烯/聚吡咯复合材料的制备及在磷酸钙骨水泥中的应用

摘要

自然骨具有压电效应，结合电刺激可以促进骨组织生长与修复，因此制备具有导电性人工骨材料尤为重要。导电聚合物聚吡咯(Polypyrrole，Pry)已在生物医学工程中得到较多研究与应用，如药物控释、生物传感器、组织修复再生等，表现出良好的生物相容性。作为常见导电聚合物，PPy及其复合材料在组织工程中的应用也受到了重视，但目前研究主要集中在神经组织与内皮组织，在骨组织的应用方面尚有欠缺。这是由于PPy及其复合材料受合成方法所限，产物形态为膜或颗粒，无法成型起到支撑作用，难以应用于骨组织工程。磷酸钙骨水泥（Calcium phosphate cement，CPC）经液相调和能够任意塑形，填充骨缺损部位。CPC在生理条件下可自行固化并最终向与人体骨组织成分相近的羟基磷灰石(HA)转化，具有良好的生物相容性与骨传导性。将CPC作为支撑的基底材料，PPy及其复合材料作为导电介质，这为制备具有电刺激响应性的导电骨修复材料提供了可能性。
　　本论文首先探讨了PPy的制备条件，优化出以FeCl3为引发剂，磺基水杨酸钠（Sodiumsalicylsulfonate，SSNa）为掺杂剂，在-20℃下反应制备Pry的最优条件。并以此制备条件为基础，通过原位聚合的方式，将氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)与Py混合，在-20℃下原位聚合，成功制备出还原态氧化石墨烯(Reduced-graphene oxide，RGO)/PPy复合材料。四探针电导率测试结果表明RGO/PPy复合材料的电导率较纯Pry及GO有了大幅增加。同时，掺杂SSNa与柠檬酸(Citric acid，CA)后，RGO/PPy复合材料的电导率得到进一步提升。结果表明，SSNa与CA共掺杂的RGO/PPy的导电率可高达129.83S/cm。
　　考虑到导电介质应具有良好的生物安全性与导电性能，本论文选用CA掺杂的RGO/PPy作为制备导电CPC的导电介质，通过在CPC固相中添加不同含量的CA掺杂RGO/PPy复合材料，研究RGO/PPy的添加及不同含量对CPC结构与性能的影响。结果表明，添加RGO/PPy复合材料的CPC，其初凝时间和终凝时间都有所减小，但凝固时间均能满足临床使用要求。同时，导电复合材料RGO/PPy的添加对CPC的物相组成没有影响，但对其抗压力学性能、微观形貌、导电性能的影响较大。其中，CPC的抗压力学性能随着RGO/PPy的添加而减小，导电性随着RGO/PPy的添加而增大，二者均具有RGO/PPy的添加量的依赖性。
　　通过成骨细胞体外培养，考察导电CPC样品的细胞相容性，同时考察了微量直流电刺激对成骨细胞增殖、分化的影响。结果表明:在没有微量直流电刺激下，添加RGO/PPy复合材料的导电CPC在第1、3、5天表现出较低的细胞毒性，对细胞增殖有一定抑制作用，第7天时导电CPC上细胞增殖率大于空白CPC对照组。从细胞分化结果来看，导电CPC与空白CPC无显著差异，表明RGO/PPy的添加对细胞分化无影响。而在每天1小时5mA的微量直流电刺激条件下，导电CPC上的成骨细胞增殖、分化活性均明显提高，且8％RGO/PPy添加量的导电CPC表现最好，表明电刺激对成骨细胞的增殖与分化有促进作用。施加电刺激后，导电CPC上成骨细胞形态发生显著改变，细胞在电场作用下拉伸伸长。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 导电聚合物概述

1．2 聚毗咯

1．2．1 聚吡咯结构特征

1．2．2 聚吡略的合成

1．2．3 聚吡咯的应用

1．3 石墨烯

1．3．1 石墨烯结构

1．3．2 石墨烯的制备

1．3．3 石墨烯复合材料

1．4 磷酸钙骨水泥

1．4．1 CPC的组成

1．4．2 CPC力学性能

1．4．3 OPC生物学性能

1．5 论文选题及研究内容

第2章 聚吡略的制备

2．1 实验材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验流程

2．1．3 材料表征

2．2 实验结果与讨论

2．2．1 聚吡咯制备条件的优化

2．2．2 PPy的XRD分析

2．2．3 PPy的FT-IR分析

2．2．4 PPy的SEN观察

2．3 本章小结

第3章 石墨烯／聚吡咯复合材料的制备

3．1 实验材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 RGO／PPy复合材料的制备

3．1．3 结构与性能表征

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 RG0／PPy复合材料电导率测定

3．2．2 RG0／PPy复合材料FT-IR分析

3．2．3 RG0／PPy复合材料XRD分析

3．2．4 RGO／PPy复合材料XPS分析

3．2．5 RGO／PPy复合材料SEM观察

3．2．6 RGO／PPy原位聚合机理

3．3 本章小结

第4章 导电磷酸钙骨水泥的制备

4．1 实验材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 RG0／PPy复合材料的制备

4．1．3 导电CPC的制备

4．1．4 CPC性能表征

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 CPC凝固时间

4．2．2 CPC的XRD分析

4．2．3 CPC电导率测定

4．2．4 CPC力学性能

4．2．5 CPC微观形貌分析

4．3 本章小结

第5章 导电CPC的细胞相容性评价

5．1 实验材料与方法

5．1．1 实验材料

5．1．1 细胞用试剂的配制

5．1．2 材料预处理

5．1．3 细胞接种

5．1．4 电刺激细胞培养

5．1．5 细胞增殖活性检测

5．1．6 细胞分化毹力检测

5．1．7 细胞形态观察

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 细胞增殖活性

5．2．2 细胞分化活性

5．2．3 细胞形态观察

5．3 本章小结

结论

下一步工作的建议

致谢

参考文献

简写附录