基于多孔结构的生物玻璃掺杂碳纳米纤维的制备及微观形态演变与生物活性的研究

摘要

随着现代骨组织工程医学的不断发展，碳纳米纤维(CNFs)材料在骨缺损修复领域的应用成为研究热点。本课题组前期研究中将生物活性玻璃(BG)负载到CNFs上成功制备了一种兼具良好生物相容性、骨诱导性及机械性能的杂化纳米材料。而大量研究表明，生物活性玻璃中生物活性成分的释放速度与材料的比表面积等结构因素直接相关。因此，本文通过引入不同聚合物的致孔剂，并结合溶胶-凝胶、静电纺丝和高温碳化等工艺制备了生物活性玻璃掺杂多孔碳纳米纤维(PCNF/BG)，系统研究了PCNF/BG的微观形态演变机制及多孔结构对其生物性能的影响规律，为研制高生物活性的碳纳米杂化材料提供基础数据与理论指导。
　　本研究选取聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为聚合物致孔剂，采用SEM等手段对比分析了三者的制孔效果。结果表明PMMA的制孔效果最好，在CNFs的表面和内部均出现明显的孔结构，PEG效果次之，仅在CNFs内部存在较少的孔洞，而PVP在该体系中未表现出制孔作用。相差显微镜观察发现PMMA与PAN的相分离现象最明显，因此其制孔效果最好。选取PMMA为致孔剂，系统研究了其含量对PCNF/BG微观形态演变的影响规律。SEM、TEM、TGA和BET等表征结果表明: PCNF/BG-1/0（质量比PAN/PMMA=1/0）的CNFs表面无孔结构;PCNF/BG-2/1（质量比PAN/PMMA=2/1）因加入少量PMMA而使CNFs表面及内部出现不连续的狭长的孔结构，材料的比表面积和表面粗糙度均有明显增大;PCNF/BG-4/3（质量比PAN/PMMA=4/3）中PMMA的含量提高，碳纳米纤维表面及内部均出现连续的狭长孔，孔的数量及直径都迅速增大，因此其比表面积和表面粗糙度为三者中最大。
　　本文基于模拟生理体液(SBF)中体外生物矿化测试的方法，系统研究了不同孔结构对PCNF/BG生物矿化性能的影响规律。实验结果表明:矿化反应进行到第7天时，三种材料表面都形成了晶型完善的HA，其生物矿化性能由好到差排序为:PCNF/BG-4/3＞PCNF/BG-2/1＞PCNF/BG-1/0。这是由于生物活性玻璃纳米粒子与1.5SBF相接触时即开始发生离子交换，PCNF/BG-4/3和PCNF/BG-2/1因具有多孔结构而具有更大的比表面积，从而能够加速生物活性玻璃纳米粒子与1.5SBF的离子交换速度，同时更大的表面积能够为HA的形成提供更多的成核着位点，尤其是比表面积最大的PCNF/BG-4/3。通过体外细胞培养实验探究了不同孔结构对PCNF/BG的生物相容性和诱导成骨分化能力的影响机制。细胞增殖实验表明:随着培养时间的延长，PCNF/BG材料表面的细胞数量都在不断增多，最终布满整个材料表面，其中PCNF/BG-4/3表面的细胞数量最多、增殖最快，即生物相容性最好。细胞分化实验表明:随分化的进行，PCNF/BG培养的细胞的ALP活性都在不断增长，并在达到峰值后开始下降，其中PCNF/BG-4/3的ALP活性最高，说明其诱导成骨分化的能力最强。这是由于粗糙的表面有利于细胞的贴附和生长。此外，BG与培养液接触时，会释放离子(如Ca2+，PO43-)能够促进细胞的增殖与分化，PCNF/BG-4/3和PCNF/BG-2/1因具有多孔结构而具有较大的比表面积，能够加速BG的离子释放速率，从而促进细胞增殖和成骨分化，尤其是具有最大比表面积和表面粗糙度的PCNF/BG-4/3。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 骨修复材料

1．1．1 骨组织简介

1．1．2 骨修复材料简介

1．1．3 骨修复材料的研究现状

1．2 生物活性玻璃

1．2．1 生物活性玻璃简介

1．2．2 生物活性玻璃的制备方法

1．2．3 生物活性玻璃的矿化行为

1．3 碳纳米纤维材料

1．3．1 碳纳米纤维简介

1．3．2 碳纳米纤维的制备方法

1．3．3 聚丙烯腈基碳纳米纤维

1．3．4 碳纳米纤维的应用

1．4 多孔碳纤维材料

1．4．1 多孔碳纤维简介

1．4．2 多孔碳纤维的制备方法

1．4．3 多孔碳纤维的应用

1．5 本课题的目的和意义

第二章 PCNF／BG复合纳米纤维膜的制备与微观形态演变

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料和试剂

2．2．2 实验仪器与设备

2．2．3 实验方法

2．2．4 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同处理阶段PCNF／BG的宏观形貌观察

2．3．2 不同处理阶段PCNF／BG的微观形貌观察

2．3．3 正硅酸乙酯的水解时间对PCNF／BG的微观形貌影响

2．3．4 不同致孔剂对PCNF／BG的影响

2．3．5 不同含量PMMA的PCNF／BG的表征与研究

2．4 本章小结

第三章 PCNF／BG复合纳米纤维膜的生物学性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料和试剂

3．2．2 实验仪器与设备

3．2．3 实验方法与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 PCNF／BG复合纳米纤维膜的生物矿化性能研究

3．3．2 PCNF／BG复合纳米纤维膜的生物相容性和骨诱导性研究

3．3．3 PCNF／BG复合纳米纤维膜生物性能的机理模型图

3．4 本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者简介

导师简介