微重力对胶原纤维化和羟基磷灰石晶体生长的影响研究

发布时间：2017-07-31 01:22

  本文关键词：微重力对胶原纤维化和羟基磷灰石晶体生长的影响研究

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【摘要】：空间微重力环境能够引起生命体(人体)生理状态的显著改变,如航天员骨质流失情况非常严重。骨的主要成分是无机矿物和生物大分子,其矿化是在成骨细胞等细胞及生物大分子的参与、调控下完成的。羟基磷灰石(HAP)是无机矿物的主要成分之一,生物大分子通过对无机矿物质在无机／有机界面处成核过程的调控,能对矿化过程产生显著的影响。因此,以骨的生物矿化模型研究作为出发点,针对生物大分子的协同作用对骨矿化过程的影响,采用体外模拟的方式研究HAP的矿化过程,将有助于明晰空间航天员骨质流失发生机制。本文考察了模拟微重力条件下胶原溶液在形成三维胶原(凝胶)过程中所发生的变化以及后续其对HAP晶体生长的影响。其次,针对空间微重力实验环境的特点,探索适宜的用于物质输运过程的观测技术,研制了集三种光学观测技术于一体的模块化、高可靠设计的小型化原理样机,通过模型化的火焰结构的观测,结合地基观测与微重力落塔观测,对上述原理样机的观测精确性与可靠性进行了检验。未来,该原理样机将用于空间HAP晶体生长过程中的物质输运过程研究。利用三维回转器模拟微重力,制备不同条件的三维胶原,对其进行SEM表征以及孔隙统计分析,考察三维回转模拟微重力对三维胶原的影响。结果表明,三维回转模拟微重力条件下形成的不同浓度的三维胶原的孔隙数量明显多于正常重力条件下的结果,且三维胶原的孔隙数量随着胶原浓度的增大而减少。模仿生物矿化,将利用三维回转器模拟微重力条件制备的不同浓度的三维胶原浸没到模拟体液中培养HAP晶体,并与正常重力条件下得到的结果进行比较,观察晶体生长、形貌及分析钙磷比。结果表明,低浓度胶原溶液形成的三维胶原对磷酸钙盐晶体的生长有显著影响。随着胶原溶液浓度的增大,不同重力条件下形成的三维胶原对晶体生长、形貌以及钙磷比的影响逐渐减小。采用XRD、EDS、FT-1R等方法对低浓度胶原溶液形成的三维胶原表面生长的晶体进行分析表征。结果表明,三维回转模拟微重力条件下形成的三维胶原对晶体的生长有抑制作用。利用薄层模拟微重力,制备不同条件的三维胶原,对其进行SEM表征以及孔隙统计分析,考察薄层模拟微重力对三维胶原的影响。结果表明,薄层模拟微重力条件下制备的三维胶原的表观形貌与正常重力条件下的结果完全不同,其呈微观多孔的纤丝状立体结构,而正常重力条件下形成的三维胶原则呈孔隙不均的层面结构,随着胶原溶液浓度的增大孔隙数量减少。模仿生物矿化,将利用薄层模拟微重力条件制备的不同浓度的三维胶原浸没到模拟体液中培养HAP晶体,与正常重力条件下得到的结果进行比较分析,考察不同重力条件下形成的三维胶原对HAP晶体生长的影响,并采用SEM、XRD、EDS等方法对晶体进行分析表征。结果表明,薄层模拟微重力条件下形成的三维胶原对磷酸钙盐晶体的生长有显著影响。培养1-3天时,薄层模拟微重力条件下形成的三维胶原表面只生长出无定形磷酸钙；而相同时间下,正常重力条件下形成的三维胶原表面则生长出块状晶体,含有HAP晶体；培养5天时,薄层模拟微重力条件下形成的三维胶原表面生长出HAP晶体：培养7天时,正常重力条件下形成的三维胶原表面生长的HAP晶体结晶度明显低于薄层模拟微重力条件下的结果。研制了用于空间观测溶液中HAP晶体生长时物质输运过程的原理样机,并利用简单模型化体系对原理样机性能进行了地面及微重力落塔实验测试。结果表明,该原理样机能够应用于观测物质输运过程且在微重力环境中具有高可靠性。
【关键词】：三维回转模拟微重力 薄层模拟微重力 三维胶原 羟基磷灰石 原理样机
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R85;O78
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 第一章 文献综述9-22
• 1.1 引言9-11
• 1.2 骨组织11-13
• 1.2.1 骨的分级结构11-12
• 1.2.2 骨的组成成分12-13
• 1.2.2.1 胶原结构12
• 1.2.2.2 无机矿物羟基磷灰石12-13
• 1.3 胶原对骨矿化的作用13-15
• 1.4 有机/无机复合物的制备15-17
• 1.5 模拟失重生物效应的研究17-18
• 1.6 光学技术观测物质输运过程18-20
• 1.7 课题研究背景及主要内容20-22
• 第二章 实验部分22-29
• 2.1 实验药品与仪器设备22-23
• 2.1.1 实验药品22
• 2.1.2 实验仪器设备22-23
• 2.2 实验方法23-27
• 2.2.1 三维胶原的制备23-24
• 2.2.2 模拟体液(SBF)的配制24-25
• 2.2.3 羟基磷灰石仿生生长25-26
• 2.2.4 样品尺寸统计方法26
• 2.2.5 模拟微重力效应26-27
• 2.2.5.1 三维回转器模拟微重力效应26
• 2.2.5.2 薄层模拟微重力效应26-27
• 2.3 实验表征方法27-29
• 2.3.1 扫描电子显微镜分析(SEM)27
• 2.3.2 X-射线粉末衍射(XRD)27
• 2.3.3 傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)27-28
• 2.3.4 X-射线能谱(EDS)28-29
• 第三章 三维回转模拟微重力对胶原纤维化及羟基磷灰石晶体生长的影响研究29-43
• 3.1 不同条件的三维胶原的制备和羟基磷灰石晶体仿生生长29-30
• 3.2 三维胶原空白样品的SEM表征及孔隙分析30-32
• 3.2.1 三维胶原空白样品的SEM表征30-31
• 3.2.2 三维胶原空白样品的孔隙统计分析31-32
• 3.3 1mg/mL三维胶原表面生长的晶体SEM表征及钙磷比分析32-34
• 3.3.1 晶体SEM表征32-33
• 3.3.2 晶体钙磷比与生长时间的关系33-34
• 3.4 2mg/mL三维胶原表面生长的晶体SEM表征及钙磷比分析34-36
• 3.4.1 晶体SEM表征34-35
• 3.4.2 晶体钙磷比与生长时间的关系35-36
• 3.5 3mg/mL三维胶原表面生长的晶体SEM表征及钙磷比分析36-38
• 3.5.1 晶体SEM表征36-37
• 3.5.2 晶体钙磷比与生长时间的关系37
• 3.5.3 不同条件下形成的三维胶原表面生长的晶体钙磷比对比37-38
• 3.6 晶体结构、组成元素分析38-42
• 3.6.1 晶体XRD表征39-40
• 3.6.2 EDS分析组成元素40-41
• 3.6.3 胶原蛋白及复合层的FT-IR表征41-42
• 3.7 本章小结42-43
• 第四章 薄层模拟微重力对胶原纤维化及羟基磷灰石晶体生长的影响研究43-57
• 4.1 薄层三维胶原的制备和羟基磷灰石晶体仿生生长43-44
• 4.2 三维胶原空白样品的SEM表征及孔隙分析44-46
• 4.2.1 三维胶原空白样品的SEM表征44-45
• 4.2.2 三维胶原空白样品的孔隙统计分析45-46
• 4.3 0.5mg/mL三维胶原表面生长的晶体表征及钙磷比分析46-49
• 4.3.1 晶体SEM表征46-47
• 4.3.2 晶体XRD表征47-48
• 4.3.3 EDS分析组成元素48-49
• 4.3.4 晶体钙磷比与生长时间的关系49
• 4.4 1.0 mg/mL三维胶原表面生长的晶体表征及钙磷比分析49-53
• 4.4.1 晶体SEM表征49-50
• 4.4.2 晶体XRD表征50-52
• 4.4.3 EDS分析组成元素52
• 4.4.4 晶体钙磷比与生长时间的关系52-53
• 4.5 薄层模拟微重力结果与三维回转模拟微重力结果对比53-55
• 4.5.1 三维胶原空白样品及晶体表观形貌对比53-54
• 4.5.2 晶体钙磷比与生长时间关系的对比54-55
• 4.5.3 不同重力条件下形成的三维胶原表面生长的晶体XRD对比55
• 4.6 本章小结55-57
• 第五章 用于空间HAP晶体生长过程中物质输运过程观测的原理样机57-63
• 5.1 原理样机的研制57-59
• 5.1.1 原理样机的工作原理57-58
• 5.1.2 原理样机的设计思路58-59
• 5.2 地面及微重力落塔实验测试59-62
• 5.2.1 地面检测59-61
• 5.2.2 微重力落塔检测结果61-62
• 5.3 本章小结62-63
• 结论63-65
• 参考文献65-72
• 论文发表72-73
• 致谢73-74

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