纳米晶体纤维素增强磷酸钙骨水泥的研究

摘要

磷酸钙骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)在临床上已广泛用作骨组织的修复材料，但由于CPC力学强度不足，尚不能作为负重部位的骨替代材料。纳米晶体纤维素(Nanocrystalline Cellulose，NCC)具有高强度、高结晶度、高比表面积、高长径比和价格低廉等优点，常应用于复合材料的增强。此外，NCC还具有可降解和生物相容等特性，可应用于生物材料。因此，本论文将NCC作为增强相与CPC复合，研究和优化NCC/CPC复合材料的制备工艺，使NCC较均匀的分散在CPC中，进而探索NCC对CPC抗压强度、凝固时间、物相组成等性能的影响规律和相关机理。通过与成骨细胞共培养，评价了NCC/CPC复合材料对成骨细胞形貌及活性的影响。　　选用Biocement D磷酸钙骨水泥配方，首先将不同含量的NCC(0、2wt.％和4wt.％)分散到CPC的液相磷酸盐缓冲液(PBS)中，按液固比0.3 mL/g与CPC粉末调和制备含不同NCC的NCC/CPC复合材料，研究了不同NCC含量对CPC理化性能的影响。结果表明，2％和4％的NCC均可显著提高CPC的抗压强度和断裂韧性，且2％ NCC/CPC的抗压强度最高，为26.9±3.4 MPa，与空白CPC相比，抗压强度约提高50％。NCC/CPC的凝固时间随NCC含量的增加而延长，但2％ NCC/CPC凝固时间满足临床需求。NCC与Ca2+形成不稳定的配合物，促进了DCPD和CaCO3的溶解和转化。NCC的加入使CPC中孔隙和裂纹减少，颗粒尺寸减小。同时NCC具有高长径比，可能对裂纹具有桥接作用，起到补强增韧的作用，从而提高CPC的抗压强度。荧光素7-氨基-4-甲基香豆素(AMC)标记NCC，荧光显微照片表明NCC颗粒在CPC中非均匀分布，其分散性有待于提高。　　采用TEMPO/NaBr/NaClO催化氧化体系对NCC进行羧基化改性，提高NCC在液相中分散性，通过冷冻干燥得到羧基化的NCC(CNCC)粉末，然后分别制备NCC和CNCC含量为2％的CPC复合材料。研究了CNCC具有最大羧基含量的实验条件，并表征了NCC、CNCC的相关性能，测试了NCC/CPC和CNCC/CPC的抗压强度。结果表明，通过TEMPO催化氧化法在NCC上成功引入-COOH，CNCC获得最大羧基含量的反应条件为:0～5℃（冰水浴）、pH为10.5、TEMPO用量为14 mg/g NCC，最大羧基含量为0.89 mmol/g。NCC约长200 nm，宽15 nm，而CNCC的尺寸有所减小，长约为180 nm，宽10nm，可能是由于NCC在羧基化过程中颗粒表面的部分非晶成分水解所致。在氧化过程中，因NCC中仍有部分非晶态纤维素发生降解，结晶态纤维素相对含量提高，CNCC的结晶度增大，晶粒尺寸减小，但结构组成没有发生明显的变化。 CNCC经冷冻干燥后，得到呈絮状的二次团聚体CNCC粉末，在水中很难再分散，可能会导致所制备的CNCC/CPC存在内部缺陷，因应力集中而造成CNCC/CPC的抗压强度较NCC/CPC低。　　采用原位合成的方法制备含2wt.％(与CPC固相粉末的质量百分比)NCC和CNCC的HA复合粉体(NCC-HA，CNCC-HA)，并与其它固相粉末均匀混合，制备不同CPC(NCC-CPC，CNCC-CPC)。表征了原位合成NCC-HA和CNCC-HA粉体的理化性质及其对CPC抗压强度的影响。结果表明，原位合成的NCC-HA和CNCC-HA具有纳米尺寸，由许多针状和花瓣状结构组成，且CNCC-HA具有更高的结晶度。抗压强度测试结果显示NCC和CNCC以原位合成HA的方式加入CPC后，均能显著提高CPC的抗压强度，分别为38 MPa和45 MPa。其中与空白CPC相比，CNCC-CPC的抗压强度约提高80％，而与NCC-CPC相比，CNCC-CPC的抗压强度约提高20％。NCC和CNCC能促进DCPD的溶解和转化，减少CPC内部的空隙和裂纹。另外，具有高长径比的NCC和CNCC可能对微裂纹具有桥接作用，且能够与基体很好的结合，是NCC和CNCC提高CPC抗压强度的主要原因。CNCC表面具有丰富的-OH和-COOH，对Ca2+的结合能力更强，且CNCC在CPC中具有更好的分散性，更能够有效地阻碍裂纹的扩展，是CNCC-CPC的抗压强度进一步提高的原因。　　将原位合成制备的CNCC-CPC、NCC-CPC和空白CPC与成骨细胞共培养，评价各CPC上细胞的粘附、增殖和分化能力。活细胞荧光染色和SEM结果表明:各组CPC表面均粘附了大量的成骨细胞，细胞之间通过伪足连接，具有多种形态且有较强的立体感。细胞周围有许多微小的伪足与材料表面紧密连接，呈现良好的细胞活性。AlamarBlue和碱性磷酸酶(Alkaline phosphate，ALP)检测结果显示:成骨细胞的增殖活性与ALP活性与时间呈依赖关系，同一时间点各组CPC共培养的成骨细胞活性和ALP活性无显著性差异，说明通过原位合成在CPC中加入2wt.％的NCC和CNCC对成骨细胞的增殖和分化活性没有显著性影响。　　本论文研究和优化NCC/CPC复合材料的制备工艺，显著提高了CPC的抗压强度和韧性，为CPC的补强增韧提供了新方法，具有潜在的应用前景。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磷酸钙骨水泥

1．1．1 CPC的性质

1．1．2 CPC在临床研究中的应用

1．1．3 CPC抗压强度的增强

1．2 纤维素

1．2．1 纤维素的化学结构及性质

1．2．2 纤维素的聚集态结构

1．3 纳米晶体纤维素

1．3．1 NCC的制备

1．3．2 NCC的表面功能化修饰

1．3．3 NCC在复合材料中的应用

1．4 本论文的研究意义、目的和内容

1．4．1 研究意义及目的

1．4．2 本论文的研究内容

第二章 纳米晶体纤维素增强磷酸钙骨水泥的研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 NCC／CPC的制备

2．2．3 性能表征

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 CPC抗压强度测试

2．3．2 CPC的凝固时间

2．3．3 CPC物相分析

2．3．4 CPC表面元素分析

2．3．5 CPC断面微观形貌分析

2．3．6 NCC在CPC中的分散性研究

2．4 本章小结

第三章 羧基化纳米晶体纤维素对磷酸钙骨水泥性能的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验材料

3．2．2 NCC的羧基化改性

3．2．3 CPC的制备

3．2．4 性能表征

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 CNCC羧基含量测定

3．3．2 NCC和CNCC的微观结构

3．3．3 NCC和CNCC的物相分析

3．3．4 NCC和CNCC的红外表征

3．3．5 CPC抗压强度测试

3．4 本章小结

第四章 原位合成羟基磷灰石对磷酸钙骨水泥性能的影响

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 原位合成HA

4．2．3 CPC的制备

4．2．4 性能表征

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 HA复合粉体的物相分析

4．3．2 HA复合粉体的红外表征

4．3．3 HA复合粉体的热重分析

4．3．4 HA复合粉体的微观结构分析

4．3．5 CPC抗压强度测试

4．3．6 CPC物相分析

4．3．7 CPC断面微观相貌分析

4．4 本章小结

第五章 细胞相容性评价

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验材料

5．2．2 成骨细胞的提取与培养

5．2．3 CPC与成骨细胞共培养

5．2．4 细胞形态观察

5．2．5 细胞活性检测

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 细胞形态分析

5．3．2 细胞活性测试

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

参与课题及科研成果