还原氧化石墨烯表面修饰硅酸钙生物陶瓷的制备及骨再生修复性能的研究

摘要

骨质疏松症是一种常发生在绝经妇女和老年群体中的骨科疾病,其症状表现为受损的骨再生能力和增强的骨吸收能力。通常，骨质疏松症患者因骨量的减少和骨密度的降低，易发生骨折。在没有外界辅助的情况下，骨质疏松症病灶区域的骨愈合能力较差。因此，为了引入电刺激（ES）作用来改善骨质疏松症病理条件下的骨再生能力，本研究制备了一种还原氧化石墨烯（rGO）表面修饰硅酸钙（CS）生物陶瓷（rGO /CS）。　　首先，采用改性 Hummers 法先制备出氧化石墨烯（GO），随后，分别选用单一抗坏血酸（AC）还原、单一热还原，以及AC与热还原双重处理的方式将GO还原制备出rGO。结果显示，与AC还原或热还原单一的处理方式相比，AC与热还原双重处理的方式更有助于获得含氧基团少、碳原子层有序度高的 rGO；而且，当热处理温度为600℃时，由AC与热还原双重处理制得的rGO，其电导率最佳。　　将AC还原制得的rGO粉体加到3 wt%的海藻酸钠（SA）溶液中，配成不同浓度的rGO/SA悬浮液；随后，借助旋涂工艺，在CS瓷片表面修饰了一层rGO，经600℃退火2 h后成功制得rGO/CS生物陶瓷。rGO/SA悬浮液的浓度及旋涂次数会影响rGO/CS生物陶瓷最终的表面电导率；由3 mg/mL的rGO/SA悬浮液在CS陶瓷片表面旋涂2次而制得的rGO/CS生物陶瓷，其表面电导率最佳（5512.63±516.09 S/m）。此外，当 rGO/CS 导电生物陶瓷浸泡在人体模拟体液中，仍展现出很好的体外矿化能力， rGO表面层不会阻碍各种羟基磷灰石晶体在其表面矿化沉积。　　当3μA的直流电被用于刺激在rGO/CS生物陶瓷表面培养的小鼠骨髓间质干细胞时，其碱性磷酸酶活性显著升高，且成骨相关联基因（Col-I，OC和 Runx2）的表达水平也明显上调，表明ES能够进一步提高rGO/CS生物陶瓷的体外骨生成能力。rGO/CS浸提液也可以通过下调破骨相关联基因（TRAP、NFATc1、Car2 和MMP-9）的表达来抑制RANKL诱导的小鼠白血病单核巨噬细胞（RAW264.7）分化为破骨细胞。此外， rGO/CS生物陶瓷中溶出的Si，不仅可以促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）增殖，还能提高HUVECs的迁移能力，并由此来增强体外血管生成能力。　　综上所述，rGO/CS导电生物陶瓷有希望在骨质疏松症病理条件下辅助骨再生。

目录

声明

缩略词简表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 骨组织的构成及其再生修复材料的发展历程

1.2.1 骨组织的构成

1.2.2 骨组织的再生修复

1.3 硅酸钙骨修复材料

1.3.1 硅酸钙基生物陶瓷

1.3.2 硅酸钙基骨水泥

1.4 石墨烯在骨再生修复领域的应用研究

1.4.1 石墨烯的结构及其基本性质

1.4.2 石墨烯的制备方法

1.4.3 石墨烯掺杂骨修复材料

1.5 硅酸钙生物陶瓷存在的问题及解决方案

1.5.1 硅酸钙生物陶瓷存在的问题

1.5.2 拟采取的解决方案

1.6 本课题主要的研究内容及意义

1.6.1 研究内容

1.6.2 研究意义

1.6.3 本课题的创新点

第二章 还原氧化石墨烯的制备及其导电性能研究

2.1 引言

2.2 材料的制备与实验方法

2.2.1 GO与rGO的制备

2.2.2 GO与rGO的测试与表征

2.2.3 rGO的电导率

2.2.4 统计分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 GO与rGO的物相组成与结构分析

2.3.2 不同还原方式对GO的还原效果

2.3.3 退火温度对rGO电导率的影响

2.4 本章小结

第三章 rGO/CS生物陶瓷的制备及其体外矿化性能研究

3.1 引言

3.2 材料的制备与实验方法

3.2.1 CS粉体的制备

3.2.2 rGO/CS生物陶瓷的制备

3.2.3 rGO/CS生物陶瓷的体外矿化实验

3.2.4 rGO/CS生物陶瓷的表面电导率

3.2.5 rGO/CS生物陶瓷的测试与表征

3.2.6 统计分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 rGO/SA浓度及旋涂次数对rGO/CS生物陶瓷表面电导率的影响

3.3.2 rGO/CS生物陶瓷的物相、微观形貌及体外矿化性能

3.4 本章小结

第四章 rGO/CS导电生物陶瓷的细胞生物学性能研究

4.1 引言

4.2 材料的细胞生物学评价方法

4.2.1 rGO/CS导电生物陶瓷的体外成骨性能表征

4.2.2 rGO/CS浸提液的体外破骨吸收性能表征

4.2.3 rGO/CS浸提液的体外血管生成性能表征

4.2.4 统计分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 ES对mBMSCs成骨分化的作用

4.3.2 rGO/CS浸提液抑制RANKL诱导RAW264.7细胞破骨分化的作用

4.3.3 rGO/CS浸提液对HUVECs细胞体外血管生成能力的促进作用

4.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果