结构和功能仿生的生物支架材料的制备与研究

发布时间：2017-07-31 03:13

  本文关键词：结构和功能仿生的生物支架材料的制备与研究

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【摘要】：生物支架不仅要求良好的生物相容性，三维贯通的孔隙结构，良好的材料/细胞界面，也要求具有合适的力学性能和电学性能。基于结构仿生和功能仿生的基本理念，本论文以三维多孔结构的钛基钛酸盐纳米线为基底，利用了氧化石墨烯的力学性能和表面可修饰性，以及氧化锌的压电性能，通过电化学方法，分别制备了力学仿生型支架材料和电学仿生型支架材料。通过表面形貌表征（SEM、TEM）、力学性能测试（FMA）、电学性能测试（OCP）以及细胞活性测试（MTT，ALP）等手段研究了力学仿生型支架材料和电学仿生型支架材料的结构和性能，其结果归纳总结如下： 1.采用电泳沉积法制备的氧化石墨烯修饰的钛基钛酸盐纳米线（TiO2/GO）支架材料具有良好的力学相容性和生物活性。首先，这种TiO2/GO支架材料延续了钛基钛酸盐纳米线阵列发达的微孔结构，不仅有利于细胞的粘附和移动，也有利于血管的形成。其次，氧化石墨烯修饰的钛基钛酸盐纳米线生物支架材料的杨氏模量在8.64~30.98GPa之间可控，可以满足不同年龄、不同性别以及不同部位的骨对于种植体力学性能的特殊要求，可有效解决种植材料与其所替代的自然骨的弹性模量不匹配到导致的应力遮挡等问题。最后，利用氧化石墨烯的表面可修饰性，在TiO2/GO支架材料引入生物活性基团，提高了支架材料表面的生物活性，构建了不同的生物活性界面。通过修饰生物活性分子，可进一步提高支架材料的生物活性，尤其是羟基化的TiO2/GO支架材料表现出尤为优异的骨诱导能力和生物活性，有效促进新生骨的进一步长入，达到骨移植或残损修复的功效。这种TiO2/GO支架材料达到了力学性能调控、结构和功能化仿生的目的，可作为新一代的骨移植或者残损修复的生物支架材料被广泛的应用于生物医疗领域。 2.采用电化学沉积和交替沉积相结合的方法，制备的TiO2/ZnO/ZnS/HAP支架材料具有良好的电学相容性和生物活性。一方面，TiO2/ZnO/ZnS/HAP生物支架材料保持了钛基钛酸盐纳米线阵列的三维多孔结构，达到了结构仿生的目的，能为细胞的增殖和分化提供场所；另一方面，TiO2/ZnO/ZnS/HAP生物支架材料具有良好的压电性能，可诱导细胞在支架材料上的黏附、增殖与分化。TiO2/ZnO/ZnS/HAP生物支架材料将钛基钛酸盐纳米线阵列的三维多孔结构、氧化锌的压电性能、羟基磷灰石的生物活性有机结合，表现出了更好的生物相容性和生物活性，达到了结构和电学仿生的目的，，可作为优选的骨移植或者残损修复的生物支架材料。
【关键词】：结构 功能 仿生 表面 支架
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08;O611
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 生物材料的发展趋势10
• 1.2 天然骨的结构与功能10-14
• 1.2.1 骨的结构11
• 1.2.2 骨的性能11-14
• 1.2.2.1 骨的力学性能12-13
• 1.2.2.2 骨的电学性能13-14
• 1.3 骨的结构和功能仿生14-17
• 1.3.1 结构仿生15
• 1.3.2 功能仿生15-17
• 1.3.2.1 表面微环境的可调控性15-16
• 1.3.2.2 力学性能匹配性16
• 1.3.2.3 生物电学相容性16-17
• 1.4 骨替代生物材料的发展现状17-23
• 1.4.1 结构仿生材料研究现状18-19
• 1.4.2 功能仿生材料研究现状19-21
• 1.4.2.1 力学仿生材料19-20
• 1.4.2.2 电学仿生材料20-21
• 1.4.3 材料表面微环境调控的研究现状21-23
• 1.5 本课题的研究内容23-25
• 第二章 实验部分25-36
• 2.1 试剂和仪器25-26
• 2.1.1 原材料和试剂25-26
• 2.1.2 主要实验仪器26
• 2.2 生物支架材料测试方法26-27
• 2.2.1 场发射扫描电子显微镜26
• 2.2.2 倒置荧光显微镜26-27
• 2.2.3 X-射线衍射27
• 2.2.4 拉曼光谱27
• 2.2.5 透射电镜-电子能谱27
• 2.2.6 傅立叶-衰减全反射红外光谱27
• 2.3 生物性能测试27-36
• 2.3.1 细胞培养28-30
• 2.3.1.1 细胞活化和复苏28-29
• 2.3.1.2 细胞传代培养 (消化法)29-30
• 2.3.2 细胞接种30-31
• 2.3.3 细胞增殖31-32
• 2.3.4 细胞活性32-33
• 2.3.5 细胞染色33-34
• 2.3.6 细胞观测34-36
• 第三章 力学仿生型支架的制备与性能研究36-53
• 3.1 实验过程38-40
• 3.1.1 钛基钛酸盐纳米线基体的制备38
• 3.1.2 石墨烯纳米片的制备38
• 3.1.3 表面微环境的调控38-39
• 3.1.4 石墨烯纳米片修饰的钛基钛酸盐纳米线支架材料制备39-40
• 3.2 表征与测试手段40-41
• 3.3 结果与讨论41-51
• 3.3.1 TiO_2/GO 支架材料的结构与性能表征41-44
• 3.3.2 TiO_2/GO 支架材料的力学性能表征44-46
• 3.3.3 TiO_2/GO 支架材料的表面改性46-47
• 3.3.4 成骨细胞在功能化支架材料上的形态47-49
• 3.3.5 成骨细胞在功能化支架材料上的增殖与分化49-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第四章 电学仿生型支架的制备与性能研究53-69
• 4.1 实验过程54-56
• 4.1.1 钛基钛酸盐纳米线基体的制备54
• 4.1.2 纳米氧化锌/硫化锌修饰的钛基钛酸盐纳米线基体54-55
• 4.1.3 羟基磷酸钙在 TiO_2/ZnO/ZnS 支架上的包覆55-56
• 4.2 表征与测试手段56
• 4.3 结果与讨论56-68
• 4.3.1 电学相容和生物相容的 TiO_2/ZnO/ZnS/HAP 支架材料的结构表征56-61
• 4.3.2 沉积电流、沉积液温度对电化学沉积氧化锌的影响61-63
• 4.3.3 硫化时间对 ZnO/ZnS 核壳结构的影响63-64
• 4.3.4 TiO_2/ZnO/ZnS/HAP 支架材料的压电性能研究64-65
• 4.3.5 TiO_2/ZnO/ZnS/HAP 支架材料的生物性能表征65-68
• 4.3.5.1 生物支架材料上 MG63 细胞的形态65-67
• 4.3.5.2 生物支架材料上 MG63 细胞的增殖与分化67-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 结论及展望69-71
• 5.1 主要结论69-70
• 5.2 工作展望70-71
• 参考文献71-77
• 攻读学位期间的研究成果77-78
• 致谢78

【参考文献】

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本文编号：597231