前躯体溶胶液陈化时间与钙磷比对Bioglass@CNF结构演变及生物学性能影响机制的研究

发布时间：2020-11-15 16:23

　　 生物活性玻璃(Bioglass)是目前唯一能同时和骨组织、软组织相结合的骨修复材料,其具有很高的生物活性。碳纳米纤维(Carbon nano-fiber)因其优异的机械强度、大的比表面积、稳定的化学性以及易被表面官能化等性能,目前已经成为众多领域的研究热点。基于这两种材料的性能优势,本研究结合溶胶一凝胶法和静电纺丝法,再经过水解、预氧化和高温碳化过程,成功制备得到了具有高生物活性和优异的机械性能的生物活性玻璃掺杂碳纳米纤维(Bioglass@CNF)复合纳米材料,并通过改变溶胶前驱体体系的陈化时间和生物玻璃的钙磷比,分别探究了其对Bioglass@CNF复合材料的结构演变及生物学性能的影响机制。本文系统研究了溶胶前驱体体系的陈化时间与Bioglass@CNF复合材料的结构演变及生物学性能的关联性。首先采用粘度分析仪、激光粒度分析及核磁共振分析(NMR)对陈化不同时间的纯玻璃溶胶一凝胶过程体系粘度和元素结合情况进行了分析,再结合光学显微镜直观观察了其形成过程。结果表明前驱体溶胶凝胶体系中随着陈化时间的变化,主要发生硅氧网络的缩合与团聚,陈化时间越长溶胶-凝胶的网络越完善,体系的粘度呈增大趋势,而对应的体系粒径因网络的结合而在前4天表现出逐渐增大的趋势,到第四天以后,溶胶-凝胶网络发生团聚,从而表现出粒径逐渐减小的结果；对应的核磁分析可以看到体系的Si-O-Si结构是逐渐增多的,也表明硅氧网络的缩合团聚随着陈化时间的延长逐步完善。由此,实验后期选取了具有代表意义的陈化1,4,7天陈化了前驱体纺丝液,经静电纺丝和高温碳化后得到Bioglass@CNF复合材料,再结合扫描(SEM)、透射(TEM)及高分辨(HR-TEM)电镜和傅里叶红外光谱分析(FTIR)、X-射线衍射仪(XRD)对Bioglass@CNF形态与结构进行了分析表征。结果显示,陈化时间较短时主要生成无定形的硅酸钙,随着陈化时间的延长逐步生成结晶的硅酸钙,但陈化时间过长,虽然生成的硅酸钙结晶越明显,但也伴随着结晶二氧化硅的生成。此外,矿化实验结果表明,陈化时间较短时生成的大量无定形硅酸钙的溶解速率快于结晶硅酸钙,表现出最快的HCA结晶生长速率,而陈化时间较长时,对应的硅酸钙结晶越完善,越不容易发生溶解,使得其生成的HCA的速率也越慢。与此同时,陈化时间为7天时,因其Bioglass@CNF体系中不均匀的玻璃粒子的存在,导致前期生成的HCA的分布也不均。此外,本文还系统研究了溶胶前驱体体系的钙磷比(Ca/P)与Bioglass@CNF复合材料的结构演变及生物学性能的关联性。利用SEM, TEM, XRD和FTIR对其玻璃陶瓷粒子形成情况进行了分析表征,结果表明,Ca/P为1.0时,体系中主要生成无定形的磷酸钙和少量的结晶硅酸钙；Ca/P为1.67时,主要生成结晶的硅酸钙；而Ca/P为2.5时,生成的硅酸钙结晶更加完善,但同时伴随着结晶氧化钙的出现。在此基础上,将不同Ca/P的Bioglass@CNF的材料进行了生物体外矿化和细胞培养的实验,经SEM观察和XRD、FTIR分析表明,钙磷比越小材料的生物矿化和细胞相容性越好,钙磷比越大对应体系生成的氧化钙具有一定的细胞毒性,不利于生物矿化和细胞的培养。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ342.742;TB33
【部分图文】：

３９％）这两部分组成。而ＣＮＦ的结构并非完美无缺的，下图可见，碳纳米纤??表面或者内部都会存在或多或少的裂纹、凸起、空洞等，其内部芯层的排列层??无规状态。通过偏光显微镜观察可知：ＣＮＦ内部芯层的微晶尺寸比外部皮层的??，石墨化的程度更低，外部皮层的取向呈圆周方向排列，目日：既平行于纤维轴，??着纤维表面分布；而从外至内，晶体的尺寸越来越小，而微晶的排列也愈加奈??由此认为，ＣＮＦ在纳米尺度上是＂乱层的石墨结构＂口气??

?近年来，伴随纳米技术的飞快发展，纳米材料己成为新型的革命性材料。而纳米材料（碳纳米管、碳纳米纤维、石墨婦、富勒稀及其衍生物等）具备独特的化特性，已成为纳米材料领域的重要部分，在生物医学领域的应用前景不可小勵。??（１）骨组织工程??如图１－２所示，人体中含有多种骨的种类形态，在不同部位承载着不同的功效，而作为骨骼的天然组织成分之一的径基磯灰石（ＨＡ），其在生理环境下能保持稳的性能，是目前骨组织工程领域研究颇为广泛的材料。但是，根据研究者们现有硏究结果可知，纯ＨＡ虽然具有相当高的生物活性，但其却不能被用于做承重的入材料，归因于它的力学性能较差。而纳米级的材料（如碳纳米管、碳纳米纤维等）能为骨细胞的贴附和增殖提供良好的支撑，其易被骨细胞黏附的同时，还能分泌到利于细胞分化生长的成骨分化因子，除此之外，纳米的ＨＡ还能为在巧化成骨给骨细胞提供一定的晶核，由此起到骨传导的良好作用Ｗ。目前相关的研究结果经证实，将ＣＮＴ或者ＣＮＦ复合ＨＡ得到的复合材料，不仅可Ｗ保持材料的高生活性、细胞相容性，还能很大程度地提高材料的力学性能Ｗ。??

表１－３静电纺丝的工艺参数??Ｔａｂｌｅ?１－３?Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ???纺丝液性质?环境参数?可控变量???聚合物种类及分子量?疏?ｉＳ??溶剂的沸点、极性和挥发性?湿度?纺丝液流速??纺丝液粘度、电导率和表面张力?空气流速?收集距离和相关参数??（转速、温度等）??静电纺丝的装置如图１－４所示：受高压直流电的作用，聚合物溶液带上成千上??万伏的静电，由于电场的作用，使其在纺丝的喷射口出形成独特的泰勒（Ｔａｙｌｏｒ）??锥１１＾，电场力逐渐增大，至能克服溶液自身的内部张力时，便形成喷射的细流，该??细流因静电作用而加速，至分裂得到更细的细流簇，喷射于收集器上，随着溶剂的??挥发其凝结为微丝，最终Ｗ无纺布的形式收集在收集器上，由此便得到了直径在几??十ｎｍ到几Ｕ?ｍ的纤维往结构ｆｉｓ’Ｗ。??ａ??
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 赵立;吴强;韩若冰;吴江;姚伟峰;;纳米碳纤维及其应用的研究进展[J];材料导报;2013年21期

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1 国丽娟;Bioglass@CNF中生物活性玻璃纳米粒子的成核生长行为及生物学性能的研究[D];北京化工大学;2013年

本文编号：2884959