（分析化学专业论文）nhacs复合材料的制备、性能表征及其应用研究.pdf

0，p弦、，#口q节qj一11， 河北大学 学位论文原创性声明 mfi lli i ii iii f l li i i i y 17 9 8 4 3 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书所使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了致谢。 作者签名：丝篷至逐日期：2 止月笪日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在 年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方格内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：互生1 年二月坠日 日期：二竺二l _ 年上月2 堑一日 的( 谚己等7 欠影) 学位论文，是我个人在导师( 缸寻卑 ) 指 导并与导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得的研究成果是在河北 大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全了解并 严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以 及河北大学的相关规定。 本人声明如下：本人以任何形式公开和传播科研成果和科研工作时， 包括发表的学术论文、学术交流、科技咨询和科技成果转让等行为时，如果 涉及到本论文所包含的研究内容和研究成果，本人将征得指导教师 ( 怔寻牮教授) 和河北大学的书面同意和授权。如果违反本声明，本人 承担法律责任。 声明人：签名( 章) 多和刁l日期：勘一7 i jt 吖 摘要 摘要 本论文共分四章，其主要内容如下t 第一章：绪论。本章首先介绍了1 1 h a c s 复合材料的特点、性质以及制备方法；其 次介绍了复合材料在生物医用材料和医学研究领域的应用；最后阐述了本工作的研究目 的、意义和主要研究内容。 第二章：以共沉淀的方法制备了n h a c s c h s 复合材料，采用s e m 、x r d 、t g a 、 x 射线能谱微区分析和万能拉力实验机等对其性能进行了表征，并观察材料在模拟体液 中浸泡后表面结构、形态以及体系p h 值的变化。结果表明：该复合材料抗压强度好， 表面矿化效果好，有良好的生物相容性和骨传导性，该复合材料可满足骨组织修复与替 代的要求。 第三章：以共沉淀的方法制备了n - h a c s a l g 复合材料，应用s e m 、x r d 、t g a 、 t e m 、x 射线能谱微区分析和万能拉力实验机等对材料的形貌、成分、性能等进行了分 析表征，通过在晶体结构、抗压强度方面的实验研究，进一步说明了n - h a c s a l g 复合 材料具有良好的力学性能，当羟基磷灰石含量为5 0 时，抗压强度达4 7 1 8 3 m p a ，该复 合材料可满足骨组织修复和替代的要求，有望成为骨组织修复的承力替代物。 第四章：为验证n - h a c s c h s 三元复合材料在生物医学中的应用，建立了兔胫骨 缺损实验模型，将n - h a c s c h s 复合材料制成棒状种植体植入骨缺损区，分别在术后4 、 8 、1 2 、1 6 周后取得样品，采用大体观察、扫描电镜观察、组织学观察、c t 影像观察等 分析方法来评价复合材料的成骨特性，并对复合材料的骨传导、骨细胞增殖能力进行研 究。结果表明：复合材料植入骨缺损区1 6 周后，在材料大量降解、吸收的同时，新生 的血管和结缔组织不断长入，缺损的骨组织逐渐改建并趋于成熟，不断形成新的骨组织， 进而整个骨缺损均被新生骨填充，进一步说明了n - h a c s c h s 复合材料可以引导骨组 织再生，重建缺损的骨组织。这对于骨缺损修复的研究具有重要意义，同时有望为临床 治疗大范围的骨缺损、股骨头坏死等骨伤病提供新的理论依据和技术。 关键词羟基磷灰石壳聚糖硫酸软骨素海藻酸钠x 射线微区分析 电子显微分析x 射线衍射分析性能表征骨缺损 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sf o u rc h a p t e r sa n dt h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： i nc h a p t e r1 ：t h ee x o r d i u m f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t c ，p e r f o r m a n c e ，p r e p a r a t i o no ft h e n h a c sc o m p o s i t e sm a t e r i a l sw e r ed e s c r i b e d s e c o n d l y , t h ea p p l i c a t i o n so ft h ec o m p o s i t e m a t e r i a l sw e r ei n t r o d u c e di nb i o m e d i c a lm a t e r i a l sf i e l d f i n a l l y , t h es i g n i f i c a n c e ，p u r p o s ea n d m o s t l yc o n t e n to ft h es 1 = i l d yw e r er e v i e w e d i nc h a p t e r2 ：t h en - h a j c s - c h sc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ep r e p a r e db yc o p r e c i p r a t i o n m e t h o d , a n dt h ec o m p o s i t ew e r ea n a l y z i e da n dc h a r a c t e r i z e db ym e a n so fx r d ，s e m ，t g a a n du n i v e r s a lm a t e r i a lt e s tm a c h i n e , a n dt h ec h a n g eo ft h em i n e r a l i z a t i o ns u r f a c eo ft h e c o m p o s i t e ，p ha n dt h ec o n c e n t r a t i o no fs y s t e mi nt h es i m u l a t e db o d yf l u i dw e r eo b s e r v e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en - h a c s - c h sc o m p o s i t e sh a v es m a l li n f l u e n c eo nt h eb o d y m i c r o e n v i r o m e n t , ag o o dm i n e r a l i z a t i o ne f f e c to nt h es u r f a c e sa n da ne x c e l l e n tb i o c o m p a t i l i t y a n do s t e o c o n d u c t i o np r o p e r t y t h ec o m p o s i t ec a nm e e tt h ed e m a n do fr e p a i r a t i o no f o s t e o t i s s u ee n g i n e e r i n g a n ds u b s t i t u t e ，a n dw i l lb et h el o a d i n gs u b s t i t u t e dt ot r e a tb o n e d e f f e c t s i nc h a p t e r3 ：t h en - h a c s - a i gc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ep r e p a r e d , a n dt h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e ，c o m p o s i t i o na n dm o r p h o l o g yo f t h ec o m p o s i t e sw e r ed e t e r m i n e db yu s i n go f u t m ，x r d ，t e m ，s e ma n dt g a t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tn a n o - h y d r o x y a p a t i t ep a r t i c l e s h a ds i m i l a rc h e m i c a lc o m p o s i t i o nw i t hn a t u r eb o n ea n dt h ec o m p o s i t e sw e r ed i s p e r s e de v e n l y i nc h i t o s a na n ds o d i u ma l g i n a t em a t r i x t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h en a n o c o m p o s i t ew a s w e l lw i t hm a x i m u mc o m p r e s s i v es t r e n g t hv a l u eo f4 7 18 3m p aa t5 0 w t h ao f n h a c s a l g t h ec o m p o s i t e sc a nm e e tt h ed e m a n d so fr e p a i r a t i o na n ds u b s t i t u t i o no fb o n e t i s s u ea n dh a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o np r o s p e c ti ni n t e r n a lf i x a t i o no fb o n ef r a c t u r e f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c hw a sh e l p f u lf o rt h e t h e o r e t i c a ld e v e l o p m e n to fb o n et i s s u e e n g i n e e r i n g i nc h a p t e r4 ：i no r d e rt op r o v et h ea v a i lo ft h en - h a c s c h sc o m p o s i t e ，e v e r yr a b b i t w a sp r e p a r e di m p l a n tb e dt oe s t a b l i s hb o n ed e f e c t i o nm o d e lo nt h e r a b b i tt i b i a , t h e c o m p o s i t e sw e r ei m p l a n t e di n t ot h eb o n ed e f e c t t h es p e c i m e n sw e r eo b t a i n e dt oo b s e r v ea t r e s p e c t i v e l y4 ，8 ，1 2a n d16w e e k sp o s t o p e r a t i v e l y t h en h a c s - c h sc o m p o s i t ew a s a n a l y z e da n de v a l u a t e db ym e a n so ft h eg e n e r a lo b s e r v a t i o n ，t h e s e mo b s e r v a t i o n , h i s t o l o g i c a lo b s e r v a t i o na n dt h em i c r o c ta n a l y s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h en e w b o r n t i b l o o dv e s s e la n dt h ec o n n e c t i v et i s s u eh a dg r o w ni n t oc o n t i n u o u s l yt h em a t e r i a la r e a s t h e d e g r a d a t i o no ft h em a t e r i a l sw e r ef o u n da n dt h ew h o l eb o n ed e f e c ta r e a sw e r ef i l l e dw i t hm e 。l e wb o n e t h eb o n et i s s u ew a s r e c o n s t r u c t e dg r a d u a l l ya n dt e n d e di nm a t u r ca tm es 姗et i m e h o w e v e r ，t h eu n f i l l e dm a t e r i a la r e a sh a v en on e wb o n eg r o w t ha n dd e f e c ti n t e 嘞c et i d va n e r 16w e e k s f u r t h e r m o r et h ec o m p o s i t e sc a n i n d u c t i v et h eb o n er e b i r t hr e b u i l dd e f e c tb o n e i t h a sl m p o r t a n tm e a n i n gf o rt h er e c o n s t r u c t i o no fb o n et i s s u ea n dt h er e s e a r c ho f c e l lb i 0 1 0 9 y , a tt h es a m et i m ei tw i l lp r o v i d et h en e w t h e o r i e sb a s i sa n dt e c h n i q u ef o rt h et i e a h n e n to fb o n e d e 姥c t l o n ，o s t e o p o r o s i s ，f e m u rh e a dn e c r o s i s t h u s ，t h e s em a t e r i a l sm a y p r o v et ob el l s e 觚如r n o v e la p p l i c a t i o n si n t h eb i o m e d i c a lf i e l d k e y w o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ；c h i t o s a n ；c h o n d r o i t i n s u l f a t e ；s o d i u m 姆n a t e ；x - r a y m i e r o a n a l y s i s ；e l e c t r o n i c a lm i e r o a n a l y s i s ；x r d ；p r o p e r t yc h a r a c t e r i z a t i o n ；b o n ed 9 f c c t ； i i i 河北大学理学硕士学位论文 r i 。詈! ! 詈! 皇! 詈 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2n h a c s 复合材料的性质和制备方法l 1 3n h a c s 复合材料在组织修复中的应用6 1 4 本工作的研究目的、内容和意义。7 第2 章n h m c s c h s 复合材料的制备和性能研究9 2 1 引言9 2 2 实验部分9 2 3 结果与讨论1 2 2 4 结论一1 7 第3 章n h a c s a l g 复合材料的制备和性能研究”1 9 3 1 引言1 9 3 2 实验部分19 3 3 结果与讨论2 1 3 4 结论2 5 第4 章n h a c s c h s 复合材料对兔胫骨缺损修复的实验研究2 6 4 1 引言2 6 4 2 实验部分一2 6 4 3 结果与讨论2 8 4 4 结论3 5 结论“3 6 参考文献3 7 附录4 3 致谢4 4 4 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 材料是人类一切生产和生活的物质基础，对国民经济建设和国防建设起着重要的作 用。在科技迅猛发展的今天，单一、普通的材料已不能满足现代科技发展的需求，材料 复合化成为材料发展的一种必然趋势。其中，生物复合材料作为材料的一个重要分支， 是对生物体进行治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。随着材料科学、生 命科学与生物技术的发展，越来越多的生物复合材料日益成为人们研究的热点并已被广 泛的应用【。而材料的发展，在很大程度上又依赖于材料分析测试技术。 各种原因引起的骨缺损以及一些年轻患者发病率呈进行性增加的股骨头坏死等骨 性疾病，都是骨科面临的难题。如何把缺损、塌陷或坏死的骨组织进行修复或重建，一 直是骨科和整形外科领域的一个疑难且具有挑战性的课题。医学领域长期以来广泛使用 的金属、有机高分子等修复材料，其成分完全和自然骨不同，作为齿、骨的替代材料( 即 人工齿、人工骨) 以及填补骨缺损的材料，其生物相容性和人体适应性尚不令人满意。 因此，研究接近或类似于自然骨成份的无机生物医学材料尤为重要，其中羟基磷灰石生 物活性材料因其与骨组织生物相容性最好，所以有着广阔的发展前景和临床应用价值 【2 ，3 1 o 羟基磷灰石是骨组织的主要无机成分，具有较高的生物活性，能够与骨组织形成化 学键合。同时壳聚糖材料具有较好的韧性，并且两者之间有良好的相容性，综合二者的 性能，优势互补，得到性能比单一成分更优良的复合材料，并依据工程学和生命科学的 原理以及组织工程技术的理论，在体外预先构建一个有生命的种植体或体外装置，用含 有羟基磷灰石壳聚糖的生物复合材料修复骨缺损，替代骨组织的部分或全部功能【4 】。对 人体骨组织缺损的修复和再造具有重要的意义。 1 2n h a c s 复合材料的性质、制备方法 本论文所研究的n - h a c s 主要是由羟基磷灰石和壳聚糖作为复合基材的，下面对其 性质和制备方法分别进行阐述。 1 2 1 羟基磷灰石、壳聚糖的基本特点 羟基磷灰石生物活性材料于1 9 7 6 年由美国的j a r c h o 和日本的青木等人开发研制的， 1 河北大学理学硕十学位论文 从而开创了羟基磷灰石生物医学材料研究和应用的新领域【5 1 。1 9 9 5 年碳酸化羟基磷灰石 骨水泥【6 】的首次报道，被誉为具有“革命性进展”的新材料。 ( 1 ) 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 是动物和人体骨骼的主要无机矿物成分， 分子式为 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 】。由于羟基磷灰石具有良好的生物相容性、生物活性、骨传 导性及其与自然骨矿物相组分的相似性【7 】，广泛用于生物医用材料领域，如整形外科、 牙科【8 1 及硬组织修复材料【”o l 、药物载体等，同时羟基磷灰石对肿瘤、b e l 7 4 0 2 肝癌细 胞的生长也有明显的抑制作用1 1 , 1 2 , 1 3 】。 目前有关羟基磷灰石的研究已经取得了很大的进展，人工合成h a 的方法有多种， 如：湿法合成法、水热合成法、冷冻干燥法、凝胶沉淀法以及喷雾热分解法等。按烧结 工艺不同，h a 制品可分为两种类型：致密型和多孔型。致密型仅有微孔( 孔径 9 9 ) ； c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 ；k h 2 p 0 4 ；醋酸溶液均为分析纯；硫酸软骨素，购自潍坊瑞光化工有限 公司；其余化学试剂均为分析纯，所用水均为去离子水。 2 2 2 n h a c s c h s 复合材料的制备 根据h a 的化学计量比c a p 为1 6 7 ，用去离子水配制磷酸二氢钾溶液，配制硝酸 钙溶液，按照n h a c s c h s 的质量比分别为7 0 3 0 、5 0 5 0 、4 0 6 0 、3 0 7 0 的比例称取 壳聚糖和硫酸软骨素粉末。按文献【5 4 】中壳聚糖与硫酸软骨素的质量比为5 ：1 ，称取一 定量的壳聚糖溶于质量分数为2 的醋酸溶液中，待完全溶解后，将用去离子水溶解的 硫酸软骨素溶液加入到壳聚糖溶液中，连续搅拌4 h 使其完全混合均匀，再把硝酸钙溶 液加入到混合液混匀后，于4 0 ( 2 条件下，在剧烈搅拌下将磷酸二氢钾溶液逐滴滴入，在 此过程中保持溶液的p h 值为9 - 1 0 ，搅拌1 2 h 后，将所得浆料陈化一天。将沉淀过滤后， 为防止其团聚，再将反应后产物在乙醇中分散，并搅拌1 0 h ，过滤后于8 0 烘干。 2 2 3 材料的分析测定 2 2 3 1 力学性能 应用万能试验机测定其抗压强度。n - h a c s c h s 复合材料的模型照片如图2 1 所示。 鍪q 毒毒二囊? 锄移5；懒“笏嬲徽”t 镒茄= 掰褫澎锄 警锄簪舔缨嬲黝麟篇溺麟缀褫裔 图2 - 1i i h a c s c h s 复合材料的照片 f i g2 - 1p h o t oo f n h a c s - c h sc o m p o s i t e 第2 章n h a c s c h s 复合材料的制备及其性能研究 2 2 3 2x r d 分析 将材料研磨成粉末后，用x 射线衍射仪对材料的组成进行分析，管电压3 0 k v ，管 电流2 0 m a ，以镍为单色器滤光片，扫描范围为1 0 。6 0 。，扫描速度0 0 6 。m i n 。 2 2 3 3s e m 观察 材料的表面经喷会膜处理后，用扫描电子显微镜观察材料表面的形貌及微观结构。 2 2 3 4 热失重分析 称取不同比例的样品均约1 0 m g ，用热失重分析仪测定其失重温度曲线，升温速率 为2 0 m i n 。 2 2 4n - h a c s c h s 复合材料的生物相容性研究 2 2 4 1s b f 的配制 按文献【5 5 的方法配制1 5 倍模拟体液。配制方法如表2 一l 所示： 表2 - 1 模拟体液的制备 、扩 t a b l e2 - 1p r e p a r a t i o no f s i m u l a t e db o d yf l u i d ( s b f ) t h es o l u t i o n ( 2 0 0 m 1 ) w a s , p r e p a r e db ys e q u e n t i a l l yd i s s o v i n gc h e m i c a l sa b o v ei nd e i o n i z e d w a t e r t h ei n o r g a n i ci o nc o n c e n t r a t i o ni s 1 5t i m e st h o s eo f h u m a nb l o o dp l a s m a - 2 2 4 2 生物相容性研究 将复合材料的浆料注入模具中成型并于8 0 烘干后，制成厚度为2 m m ，直径约为 6 m m 的片状复合物，浸入到模拟体液中置于温度恒定在3 7 。c 的恒温箱中，模拟体液每 两天更换一次。浸泡时间分别为l 、3 、5 、7 、1 4 天，将材料在各个时间取出后，用蒸 馏水冲洗，然后在室温下干燥。模拟体液的成分与人体血浆的无机成分基本相同。在1 5 1 1 河北大学理学硕 学位论文 倍的s b f 中，c a 2 + 、h p 0 4 2 离子的浓度是s b f 中的1 5 倍，有利于材料表面附近保持较 高的离子浓度，可以加快类骨磷灰石的形成速度，缩短磷灰石生长的诱导周期。据文献 5 6 报道，材料在植入动物体内两周后细胞在材料表面开始生长，由此确定浸泡时间为 1 4 天。通过观察表面结构、形态、体系的变化以及能谱分析来评价复合材料的生物活性。 2 3 结果与讨论 2 3 1n h 刖c s c h s 的力学性能 实验结果见表2 - 2 ，在n h a c s c h s 复合材料比例为5 0 5 0 时，其抗压强度最大可 达4 2 3 m p a 。比文献 5 7 】中报道的h a 含量为7 0 的c h i p a a h a p 复合材料最大抗压强 度3 1 2 m p a 还要高，这说明所得到的复合材料具有较好的力学性能。这是由于h a 与 c s c h s 聚合体络合形成复合物，壳聚糖一硫酸软骨素增加了羟基磷灰石基体之间的结合 力，使复合材料的抗压强度提高，这与文献 5 7 ，5 s 的报道是一致的，但当壳聚糖和硫酸 软骨素含量过高时，由于其高的韧性和水溶性使得复合材料的力学性能反而有所降低。 表2 - 2 不同比例n - h a c s c h s 复合材料的抗压强度的变化 t a b l e2 - 2c h a n g e so fc o m p r e s s i v es t r e n g t h s 、j l ，i n l 坐曼呈2 望卫2 1 1 1 1 2 呈2 11 2 翌p 2 1 1 1 呈! n - h a c s c h s 的理论质量分数( ) h ac s c h s 抗压强度( m p a ) 2 3 2x r d 分析 羟基磷灰石壳聚糖一硫酸软骨素复合材料的x 射线衍射结果如图2 - 2 ，对于不同比 例的羟基磷灰石、壳聚糖复合材料，在2 5 9 。和3 1 8 。两处出现了羟基磷灰石( 0 0 2 ) 和 ( 2 11 ) 晶面的特征衍射峰。从图中观察到h a 的特征衍射峰发生了展宽，说明羟基磷灰 石呈现的是弱结晶状态【4 0 1 ，随着羟基磷灰石含量的减少，峰的强度有不同程度的弱化， 而随着壳聚糖含量的增加，同时在1 9 8 。出现壳聚糖的主要衍射峰，并且随含量增加峰 逐渐增强。图中未出现硫酸软骨素的衍射峰，这与结晶状态和成分含量的高低有关。 第2 章n h a c s c h s 复合材料的制备及其性能研究 2 0 ( 。) 图2 2 不同质量比的n h a c s c h s 复合材料的x r d 图谱 f i g2 - 2x r ds p e c t r a so ft h en - h a c s c h sw i t hd i f f e r e n tm a s sr a t i o s 2 3 3s e m 观察。 通过s e m 可以观察到，复合材料中的羟基磷灰石为类似于自然骨的纳米晶体，均 匀分散于有机相壳聚糖与硫酸软骨素的基质中，如图2 - 3 所示。在整个沉淀的过程中， r 壳聚糖的瞬时沉积将纳米羟基磷狄石微粒包裹起来，复合材料形成的是纳米级复合物， ： 分散比较均匀。随壳聚糖一硫酸软骨素含量的增多，把羟基磷灰石包裹起来形成包裹物， 颗粒减小，在h a 中c a 2 十与相邻的壳聚糖胺基之间能够紧密接触，发生相互作用1 3 8 1 。比 例为5 0 ：5 0 的n h a c s c h s 复合材料形成的复合物完全团聚在一起，硬度比较大。 2 3 4 热失重分析 在5 0 8 0 0 。c 温度范围内测定了n h a c s c h s 复合材料随着温度的变化质量损失的 变化情况。由图2 - 4 可知，随着温度的升高，样品质量逐渐减少，在5 0 2 0 0 。c 范围内， 样品质量损失主要是因为水分的蒸发。由于硫酸软骨素和壳聚糖的分解温度约为 2 6 0 - 3 0 0 。c ，所以在此温度范围内质量损失比较快，是硫酸软骨素一壳聚糖共同分解的结 果，也有羟基磷灰石的脱羟基化作用【5 9 】。在6 0 0 。c 以后，剩余的主要成分是羟基磷灰石， 质量基本恒定不变。由图可知不同比例的羟基磷灰石壳聚糖一硫酸软骨素复合物的最终 质量损失与它们的初始理论配比是一致的l 形成了均一稳定的复合物，对于材料力学性 能、生物活性的提高具有重要的意义。 河北大学理学硕十学位论文 ：象； 图2 3 不同质量比的n h a c s - c h s 复合材料的s e m 照片 ( a ) 7 0 ：3 0 ( b ) 5 0 ：5 0 ( c ) 4 0 ：6 0 ( d ) 3 0 ：7 0 f i g2 - 3s e mi m a g e so f n - h a c s - c h sc o m p o s i t ew i t hd i f f e r e n tm a s sr a t i o s ( a ) 7 0 ：3 0 ( b ) 5 0 ：5 0 ( c ) 4 0 ：6 0 ( d ) 3 0 ：7 0 萼 营 童 鏊 至 t e m p e r a t u r e 1 c 图2 4 不同质量分数的n h a c s c h s 复合材料的t g a 曲线 f i g2 - 4t g ac u r v e so ft h ec o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tm a s sr a t i o s 2 3 5 生物相容性研究 图2 - 5 是n h a c s - c h s = 5 0 ：5 0 的复合材料在模拟体液中浸泡培养不同时问后表面 的s e m 图。从s e m 图可以看出0 天材料表面有分布比较均匀的的纳米颗粒，棱角和空 1 4 隙比 质生 量的 图2 - 5n h c s c h s = 5 0 ：5 0 复合材料在s b f 中培养( a ) 0 天( b ) 1 天 ( c ) 3 大( d ) 5 天( e ) 7 天( f ) 1 4 天后扫描电镜照片， f i g 2 5s e mm i e r o g r a p h so ft h en h a c s - c h s = 5 0 ：5 0a f t e rs o a k i n g i ns b ff o r ( a ) 0 d ( b ) l d ( c ) 3 d ( d ) 5 d ( e ) 7 d ( f ) 1 4 d 由图2 - 5 ( c ) 中可以看出，在材料浸泡3 天后表面有被侵蚀的现象，是由于复合材 料中有机相c s 在浸泡过程中逐渐发生降解，从而为羟基磷灰石的形成提供空间，随着 壳聚糖的降解，p h 值逐渐降低，而随着p h 值的降低，壳聚糖的降解速度不断加快唧】， 同时在材料表面形成了类骨磷灰石，说明了复合材料具有高的生物活性。 复合材料在浸泡过程中模拟体液p h 值的变化情况表如表2 - 3 所示，随着浸泡天数 的增加，h a 对模拟体液中阳离子的吸附量的增加，模拟体液中的p h 逐渐降低，并且 1 5 河北大学理学硕一 ：学位论文 降低的程度减小，从总体来看，材料的稳定性较高，对微环境p h 值的影响较小。h a 对c a 2 + 有较强的吸附性【6 l 】，壳聚糖和硫酸软骨素对磷灰石的沉积有良好的促进作用，同 时硫酸软骨素表面的亲水性和柔韧作用也将有利于细胞的黏附与生长。 表2 3n h a c s c h s = 5 0 ：5 0 在模拟体液中培养不同时间p h 值的变化 t a b l e2 - 3t h ec h a n g eo f o f p ho f c o m p o s i t en h a c s c h s - 5 0 ：5 0i ns b f 浸泡时间( 天) p h 值浸泡时间( 天) p a 值 07 3 05 6 5 0 l6 9 076 4 5 36 6 51 46 2 5 从对s b f 中浸泡过的n h a c s 。c h s = 5 0 ：5 0 复合材料表面的x 射线能谱分析得出， c a p 比率约为1 6 7 ，与入骨中磷灰石的c a p 比率基本一致。图2 6 是 n h a c s c h s ( 5 0 5 0 ) 复合材料在模拟体液中培养不同时间后，对表面取样得到的x 射 线衍射图谱。 2 0 ( 。) 图2 6n h a c s c h s ( 5 0 5 0 ) 复合材料在模拟体液中 培养不同时间样品表面的x r d 图谱 f i g2 - 6x r ds p e c t r a so ft h en - h a c s - c h s ( 5 0 5 0 ) a f t e r s o a k i n gi ns b ff o rd i f f e r e n tt i m e 从中可以看出浸泡5 天后有羟基磷灰石的( 0 0 2 ) 、( 2 1 1 ) 衍射峰开始出现，7 天、 1 4 天后峰强度增加，也出现了羟基磷灰石的其它明显特征衍射峰，随着浸泡时问的延长 特征衍射峰强度也逐渐增强，进一步说明了羟基磷灰石的生成。 第2 章n h a c s c h s 复合材料的制各及其性能研究 另外，从图2 7 所示x 射线能谱分析图可以看出复合材料在模拟体液中浸泡培养1 4 天后，还出现氯的特征峰，并且随着复合材料中壳聚糖含量的增加，氯的特征峰逐渐增 强。这是由于模拟体液中含有大量的氯离子，是因为壳聚糖对氯有较强吸收引起的【6 2 1 。 当壳聚糖和硫酸软骨素的含量为7 0 时，对氯离子有很大的吸收，作为植入材料时对人 体是否有影响，目前尚未见报道，有待进一步研究。 x p h o t oe n e f g y k e v 0 - 0 0 x p h o t o ne n e r g y ! k e y 1 1 5 2 2 4 结论 g p h o t o ne n 盯g y k e v x p h o t o ne n e r g y k e y 图2 7 不同比例的n - h a c s c h s 复合材料在s b f 中培养1 4 天后的能谱图 f i g2 - 7e d sp a t t e r n so fs u r f a c eo fd i f f e r e n tr a t i o st h en h a c s - c h s c o m p o s i t e sa f t e rs o a k i n gi ns b ff o r1 4d a y s 本文采用共沉淀法制备了不同比例的n h a c s c h s 复合材料。通过对研制材料的 分析研究，表明在羟基磷灰石中加入了壳聚糖和硫酸软骨素，使得复合材料的力学性能 得到改善，形成了分散均匀的纳米级复合材料。测定样品在模拟体液中的微观形貌、表 面矿化、p h 值的变化以及能谱情况，说明本复合材料有较高的生物活性和生物相容性， 将有利于基质细胞的贴附和生长。另外，壳聚糖对氯离子的吸收以及此三元复合物对骨 一1 7 砖 河北人学理硕十学位论文 细胞生长的作用机理还有待进一步研究。可以预见，n - h a c s c h s 复合材料植入体内后 将可以有效地促进骨的修复和重建，作为骨组织修复材料具有一定的可行性。 第3 章n h a c s a l g 复合材料的制各及其性能表征 第3 章n h a c s a l g 复合材料的制备及其性能表征 3 1 引言 海藻酸钠( s o d i u m a l g i n a t e ，a l g ) 是一种从海洋的褐藻中提取的直链阴离子多糖， 分子链上含有大量的羟基和羧基，能形成交联的聚合物，还能作用于纤维蛋白原止血， 可以促进红血球和血小板的凝集。另外，海藻酸钠和壳聚糖可以通过正负电荷吸引形成 聚电解质膜【6 3 】。具有良好的生物相容性，能应用于动物和微生物细胞的微囊化培养与移 植，可塑性好，另外，海藻酸钠具有很好的亲水性，且营养物质易于吸收，通过酶解后 产物对人体无毒害作用，在食品工业中也有广泛的应用6 4 , 6 5 1 。海藻酸钠结构式如下： n a n n a o 7 0 ，1n 海藻酸钠 鉴于海藻酸钠的特殊生物活性，本章采用共沉淀的方法，将其与羟基磷灰石、壳聚 糖复合，制备出纳米羟基磷灰石壳聚糖海藻酸钠生物复合材料。对材料的成分、形貌、 性能等进行了分析表征，将它们的优点进行结合赋予复合材料以优异的性能，有望在作 为骨折的内部的固定和骨缺损的修复方面提供可借鉴的参考和应用。 3 2 实验部分 3 2 1 仪器与试剂 k y k y - 2 8 0 0 b 扫描电子显微镜( 中国科学院科学仪器技术发展有限责任公司，附x 射线能谱仪，美国r o r a n 公司，有铍窗锂漂移硅探测器，探测元素范围n a u ) ；y - 2 0 0 0 x 射线衍射仪，中国丹东射线仪器( 集团) 股份有限公司；p y r i s6t g a 热失重分析仪， 珀金埃尔默仪器( 上海) 有限公司( p e r k i n e l m e r ) 生产；8 5 2 型恒温磁力加热搅拌器( 江苏 荣华仪器有限公司) ；j w e 5 0 型万能试验机；p h s 3 c 精密p h 计( 上海雷磁仪器厂) 。 河北人学理学硕 ：学何论文 控温干燥箱( 天津市中环实验电炉有限公司) ；j e m 1 0 0 s x 透射电子显微镜( t e m ) ； 纳米羟基磷灰石( 实验室自制) ；壳聚糖( 上海生化试剂公司，脱乙酰度 9 9 ) ； c a ( n 0 3 ) 2 - 4 h 2 0 ；k h 2 p 0 4 ；醋酸溶液均为分析纯；海藻酸钠，上海天莲精细化工有限公 司；其余化学试剂均为分析纯，所用水均为去离子水。 3 2 2n - h a c s a l g 复合材料的制备 参照2 2 2 中的制备方法，根据h a 的化学计量比c a p 为1 6 7 ，用去离子水配置磷 酸二氢钾溶液，配制硝酸钙溶液。按照c s 与c h s 的质量比为2 ：1 的比例称取壳聚糖 和海藻酸钠粉末，将称取的壳聚糖溶于质量分数为2 的醋酸溶液中，待完全溶解后，将 用去离子水完全溶解的海藻酸钠溶液用注射器逐滴加入到壳聚糖溶液中，连续剧烈搅拌 4 h 使其完全混合均匀，再把硝酸钙溶液加入到混合液混匀后，于4 0 。c 条件下，在剧烈 搅拌下将磷酸二氢钾溶液逐滴滴入，此过程中保持溶液的p h 值为9 - 1 0 ，搅拌1 2 h 后， 将所得浆料陈化一天，将沉淀过滤，为防止其团聚，再将反应后产物在乙醇中分散，并 搅拌1 0 h ，再次过滤后于8 0 烘干，备用。 3 2 3 材料的分析测定 3 2 3 1 力学性能 应用力能试验机测定其抗压强度，压缩速率为1m m m i n ，传感器5 k g f 2 2 3 2x r d 分析 将材料研磨成粉末后，用x 射线衍射仪对材料的组成进行分析，管电压3 0 k v ，管 电流2 0 m a ，以镍为单色器滤光片，扫描范围为1 0 。6 0 。，扫描速度o 0 6 。m i n 。 3 2 3 3t e m 观察 将少量纯h a 和比例为5 0 ：5 0 的n h a