表面改性羟基磷灰石纳米杂化粒子及复合材料的制备与表征

摘要

人工合成的纳米羟基磷灰石(nanoHydroxyapatite，nHA)由于和天然骨中的羟基磷灰石在化学组成、结构等方面极其相似，将其填充到生物可降解高分子中制备复合材料被认为是一种理想的骨组织工程用支架材料。但是nHA在高分子基体中容易团聚，影响了复合材料实际使用性能。为了提高nHA和高分子基体之间相容性改善其分散性能，依据相似相容原理，在nHA表面接枝高分子被认为是一种有效的手段。
　　 为改善nHA在聚乳酸基体中的分散性，获得PLLA/HA纳米复合材料，本论文首先以硅烷偶联剂APTS为模版，用水热-共沉淀法，一步法获得表面带有氨基的纳米羟基磷灰石颗粒(HA-NH2)，将其进一步和2-溴代异丁酰溴(BIBB)反应，合成出表面带有溴官能团的纳米羟基磷灰石(HA-Br)，可作为原子转移自由基聚合(ATRP)的引发剂。通过HA-Br引发甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)或甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)ATRP聚合，成功将PGMA或PHEMA接枝到了HA表面，获得HA@PGMA和HA@PHEMA纳米杂化颗粒。其次，分别运用“Graftto”法和“Graftfrom”法，将PLLA低聚物引入上述纳米杂化颗粒。在“Graftto”法中，将预先合成好的具有不同分子量的单端羧基聚乳酸(PLLA-COOH)进攻HA@PGMA中的环氧基开环，获得了HA@PGMA-g-PLLA纳米杂化颗粒。在“Graftfrom”法中，则是利用PHEMA链段上的侧羟基引发L-丙交酯开环聚合，获得HA@PHEMA-g-PLLA纳米杂化颗粒。采用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)，X射线衍射仪(XRD)，热失重分析仪(TGA)，差示扫描量热仪(DSC)，扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析了不同阶段产物的化学结构，组成，形貌和在三氯甲烷溶剂中的分散效果。结果发现，“Graftto”法虽然可以有效控制接枝PLLA的分子量且接枝效率高，但因在单端羧基PLLA的制备过程中，易发生主链段链反应形成的双端羧基PLLA容易使HA@PGMA粒子之间形成交联网络结构，导致最终产物的不溶不熔;“Graftfrom”法的主要问题则是由于PHEMA侧羟基活性较低，其引发丙交酯开环聚合接枝PLLA的效率一般，对接枝PLLA分子量的控制也稍差。
　　 为解决上述问题，本论文尝试了将事先合成已知分子量的单端羟基聚乳酸(PLLA-OH)通过和甲基丙烯酸酐反应转化为端双键的聚乳酸(PLLA-MA)，然后利用HA-Br引发ATRP聚合方法，直接将PLLA接枝到nHA表面，得到HA-PLLA纳米杂化粒子。结果表明，如此制备的HA-PLLA纳米杂化粒子在三氯甲烷溶剂和PLLA基体中都能均匀分散，其分散性随着HA表面接枝PLLA的分子量增大而改善。利用静电纺丝法制备的PLLA/HA-PLLA复合纳米纤维，经SEM和TEM观察，纳米纤维表面光滑，HA在纳米纤维中分散性良好。
　　 从仿生的角度出发，天然骨组织中约35％为胶原蛋白，在纳米纤维中引入蛋白质成分是必然趋势。为改善nHA在明胶中的分散性，本论文还通过明胶模版法，采用水热-共沉淀法原位制备了HA@Gel纳米杂化颗粒，再将HA@Gel纳米杂化颗粒添加到明胶溶液中，经过制备工艺参数的调节，制备了Gel/HA@Gel复合纳米纤维和PLLA/Gel/HA@Gel三组分复合纳米纤维。相对于未改性nHA，表面接枝改性的nHA在纤维中分散性明显改善。
　　 通过上述研究，本论文提供了一种基于ATRP对nHA进行表面接枝改性的方法，并通过复合材料的制备验证了接枝改性对于提高纳米无机粒子在聚合物基体中分散性的可能性，为制备具有更优性能的骨再生修复材料提供了参考。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 组织工程

1．2 骨和骨组织工程

1．2．1 骨

1．2．2 骨组织工程

1．2．3 骨组织工程用高分子材料

1．2．4 骨组织工程用无机材料

1．2．5 有机-无机复合材料在骨组织工程中的应用

1．3 纳米羟基磷灰石

1．3．1 纳米羟基磷灰石的制备

1．3．2 纳米羟基磷灰石的表面改性

1．4 纳米羟基磷灰石表面原子转移自由基聚合接枝改性

1．4．1 原子转移自由基聚合(ATRP)的基本原理

1．4．2 ATRP法在纳米粒子表面改性中的应用

1．4．3 ATRP法在纳米HA粒子表面改性中的应用

1．5 静电纺丝

1．5．1 静电纺丝概况

1．5．2 静电纺丝在骨组织工程中的应用

1．6 本课题的研究目的和内容

1．6．1 研究目的和意义

1．6．2 研究内容

第二章 支化聚合丙烯酸酯-g-聚乳酸ATRP法表面改性纳米羟基磷灰石的制备和表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 纳米羟基磷灰石的制备

2．2．4 表面带有氨基的纳米羟基磷灰石HA-NH2的制备

2．2．5 表面带有溴的纳米羟基磷灰石HA-Br的制备

2．2．6 端羧基左旋聚乳酸PLLA-COOH的制备

2．2．7 HA@PGMA-g-PLLA纳米杂化粒子的制备

2．2．8 HA@PHEMA-g-PLLA纳米杂化粒子的制备

2．3 材料的表征

2．4 结果与讨论

2．4．1 纳米羟基磷灰石ATRP引发剂的制备与表征

2．4．2 HA@PGMA-g-PLLA纳米杂化粒子的制备与表征

2．4．3 HA@PHEMA-g-PLLA纳米杂化粒子的制备与表征

2．4．4 改性HA纳米粒子的分散性

2．5 小结

第三章 端双键聚乳酸ATRP法表面改性纳米羟基磷灰石的制备和表征

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 纳米羟基磷灰石ATRP引发剂的制备

3．2．4 端双键左旋聚乳酸PLLA-MA的制备

3．2．5 HA-Br表面引发端双键左旋聚乳酸PLLA-MA的ATRP聚合

3．2．6 HA／PLLA复合材料浇注薄膜的制备

3．2．7 HA／PLLA10W复合材料浇注膜的制备生物矿化

3．2．8 HA／PLLA复合纳米纤维膜的制备

3．3 材料的表征

3．4 结果和讨论

3．4．1 端双键聚乳酸PLLA-MA的制备和表征

3．4．2 杂化纳米粒子HA-PLLA的制备和表征

3．4．3 HA在复合材料中分散性对生物矿化行为的影响

3．4．4 不同nHA纳米粒子在溶剂和聚合物基体中分散性的研究

3．4．5 HA／PLLA纳米复合纤维的制备和表征

3．5 小结

第四章 明胶模版法表面改性纳米羟基磷灰石的制备和表征

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 模版法制备羟基磷灰石-明胶(HA@Gel)纳米杂化粒子

4．2．4 HA@Gel／Gel复合纳米纤维的制备

4．2．5 HA／PLLA／Gel三组份复合纳米纤维膜的制备

4．3 材料的表征

4．4 结果和讨论

4．4．1 HA@Gel的制备和表征

4．4．2 HA@Gel／Gel复合纳米纤维的制备和表征

4．4．3 HA／PLLA／Gel三组份复合纳米纤维的制备

4．5 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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