（纺织材料与纺织品设计专业论文）丝素蛋白羟基磷灰石复合多孔材料的制备及其结构、性能[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

丝素蛋白羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能中文摘要中文摘要以蚕丝丝素蛋白( s f ) 作为羟基磷灰石( h a ) 沉积的模板，制备s f h a 复合粉末，用扫描电镜( s e m ) 、热重分析( t g a ) 、x 射线衍射( x r d ) 和傅立叶变换红外光谱( f r _ i r ) 对复合粉末进行分析和鉴定。结果表明：合成的s f h a 复合粉末中含1 7 8w t 的丝素蛋白，其平均粒径约为2 7 5 7n l n ，范围分布在8 2 2 1n r i l 至11 8 6n l t l之间。x - 射线衍射实验结果显示丝素蛋白大分子能够促进羟基磷灰石结晶沿c 轴生长。进一步以家蚕丝素短纤维为增强材料，以n a c l 为致孔剂，采用等静压的方法制备s f h a 复合多孔材料，用扫描电镜( s e m ) 、万能材料试验机等分析测试手段研究材料的结构和性能。研究了纤维添加量对s f h a 复合多孔材料结构和性能的影响，结果表明：在超声波作用下少量短纤维能在材料中分散均匀；在n a c l 含量和丝素溶液浓度一定的情况下，复合材料中加入短纤维可以显著增加材料的韧性，随短纤维在复合材料中含量的增加材料的韧性提高，抗弯强度增加，但材料的抗压强度减小。研究了致孔剂含量对s f h a 复合多孔材料结构和性能的影响，结果表明：致孔剂n a c l 的致孔效果明显，多孔材料的平均孔径为1 0 1 1 8 31 1m 、孔隙率为5 9 7 4 ；在n a c l 和短纤维含量一定时，加入浓缩过的丝素溶液能使样品的抗弯强度和抗压强度增大：但加入致孔剂后复合材料的抗弯强度和抗压强度都有所下降。关键词：丝素蛋白，羟基磷灰石，多孔材料作者：刘佳佳指导教师：李明忠、卢神州塑里塑婪塑竺璺! ! 竺兰壁! ! 壁垡兰! ! 望垒苎竺竺! ! 竺型! !垒麴p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fs f h ap o r o u sc o m p o s i t ea b s t r a c ts i l kf i b r o i n ( s f ) a n dh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) c o m p o s i t ep o w d e r sw e r es y n t h e s i z e df r o mc a o ，h 3 p 0 4a n ds fs o l u t i o no nt h ep r i n c i p l eo f n e u t r a i z a t i o n t h es f h ap o w d e r sw e r ec h a r a c t e r i z e du s i n gs e m ，t g a ，x r da n df t - i r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g ed i a m e t e ro fs f h ac o m p o s i t ep o w d e r sw e r e2 7 5 7i 珈i t sc o n t e n to fs fw e r e1 7 8w w o i tc o n c l u d e dt h a ts i l kf i b r o i nc o u l dp r o m o t et h ec r y s t a lg r o w t ho fh y d r o x y a p a t i t ea l o n gc - a x i sv i a t h es c h e r r e rf o r m u l a 舶mx r dp a t t e r n s t h ep o r o u ss f h ac o m p o s i t ec o u l db ep r e p a r e dw h e na d d i n gs i l ks h o r tf i b e r sa n du s i n gn a c la sp o r o g e nb yi s o s t a t i cp r e s s i n g t h ep o r o u ss f h ac o m p o s i t ew e r ec h a r a c t e r i z e du s i n gs e ma n di n s t r o nt e n s i l et e s t e r af e ws i l ks h o r tf i b r e sc o u l dd i s t r i b u t eu n i f o r m l yi nt h ec o m p o s i t ew h e nu s i n gu l t r a s o n i c a d dt h es i l ks h o r tf i b r e st ot h ec o m p o s i t ew i t hn a c ia n ds i l kf i b r o i n ，t h et o u g h n e s si n c r e a s e ds h a r p l y t h em o r eq u a n t i t yo fs i l ks h o r tf i b e r si nt h ec o m p o s i t e ，t h eh i g h e rt h et o u g h n e s sa n dt h ef l e x u a ls t r e n g t hw e r e t h ea v e r a g ep o r ed i a m e t e ro f p o r o u ss f hc o m p o s i t ew e r ef r o m1 0 11 tmt o1 8 3uma n dt h ep o r o s i t yw e r ef r o m5 9 t o7 4 w h e nu s i n gn a c ia sp o r o g e n 、a d dt h es i l kf i b r o i ns o l u t i o nc o n c e n t r a t e dt ot h ec o m p o s i t ew i t hn a c ia n ds i l ks h o r tf i b r e s ，t h ef l e x u a ls t r e n g t ha n dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ei n c r e a s e d b u tt h ef l e x u a ls t r e n g t ha n dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ed e c l i n e da f t e ra d d i n gp o r o g e n k e y w o r d s ：s i l kf i b m i n ；h y d r o x y a p a t i t e ；p o r o u sc o m p o s i t ei iw r i t t e nb yj i a j i al i us u p e r v i s e db ym i n g z h o n gl is h e n z h o ul u苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究t作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。研究生签名：查华日期：型蔓奎掣学位论文使用授权声明苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。研究生签名：熏：j 型塾日期：型聋兰虽! ! 稠导师签名：盘圈盅= f ：= 】期：坦! 壹! 旦1 61乒抖日飙掣丝素蛋白羟基磷灰石复合多孔材料的制备及其结构、性能第一章第一章引言第一节自然骨的构造自然骨是由无机矿物与生物大分子规则排列所组成的复合体。成熟的骨除了细胞之外，其基质中有大量规则排列的有机质胶原纤维束和无机盐羟基磷灰石。有机质构成骨支架，赋予骨弹性及韧性；无机质则使骨硬挺坚实。人体长骨中密质骨是由紧密排列的骨板构成，抗压、抗扭曲力强；松质骨是由许多片状的骨小梁交织排列而成，里海绵状。羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e , h a ，分- t ：5 戈 c a i o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ) 是自然骨无机相的主要成分，约占自然骨总质量的6 0 7 0 ，在自然骨中呈细针状结晶，尺寸小于1 0 0n m ，大多沉积在胶原纤维中，结晶衔接成链状，沿纤维轴向平行排列。羟基磷灰石属六方结构，晶胞常数为a - - b = 9 4 3a ，c = 6 8 8 a ，c a p 原子比为1 6 7 ，晶体结构如图l 所示m2 1 。存在于自然骨中的羟基磷灰石晶体结构不完善，沿六方轴存在一个“隧道”，其中的离子易被其它离子替换，因此自然骨中的羟基磷灰石结合有少量的碳酸根、氟、镁、钠及柠檬酸等离子，如果羟基磷灰石化合物中o h 被氟离子取代，其化学稳定性会提高，因为氟离子与c a 2 + 的结合更强，因此加氟后牙齿防龋齿能力会相应增耐3 1 。自然骨中的生物大分子主要是以纤维形态存在的胶原蛋白( 9 0 为i 型胶原) 。骨纤维主要是由胶原蛋白构成的，骨胶原纤维有规则地分层排列，晶体在其构成的三维网络中生长，每层的纤维和基质呈板状结构即为所说的骨板，骨细胞夹在骨板之间。有研究表明胶原网络结构在维持自然骨的柔韧性方面起了重要的作用，从材料科学的角度看，自然骨可被看作是一种弹性高分子聚合物增韧的羟基磷灰石基复合材料4 卯。第二节骨组织工程及材料组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 一词最初是由美国国家科学基金会( n a s f ) 在1 9 8 7 年的生物工程会议上提出，其主要内容是运用工程学和生命科学的基本原理、t丝素蛋白羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第一章基本理论、基本技术和方法，在体外构建一个有生物活性的种植体，植入体内修复组织缺损【6 1 。骨组织工程作为组织工程的一个重要组成部分成为人体硬组织修复的新兴方向，包含支架材料、种子细胞及组织构建三个重要因素，其主要步骤为：制作支架材料，在支架材料中种植种子细胞，在支架材料中培养、扩增种子细胞，把图1 沿c 轴投影的羟基磷灰石结构示意图【l 】体外所构建的组织植入患者体内【7 8 1 。在整个过程中，支架材料起着支持细胞生长，维持体外构建组织强度的重要作用，因此模仿自然骨的组成，制备有利于细胞黏附、生长并具有一定强度的支架材料成为骨组织工程的一个重要研究内容。骨组织工程中使用的支架材料至少应具备以下条件：有良好的生物相容性；是三维多孔结构，且孔与孔之间相互贯通以利于细胞的黏附、分化和增殖；有一定的力学强度以支持新生组织的生长，并能被生物降解 8 - i o 】。目前用于骨组织工程的材料有羟基磷灰石、胶原、壳聚糖、聚乳酸、氧化铝和聚己酸内酯等 i h 7 】。其中羟基磷灰石、胶原和壳聚糖因为具有良好的生物相容性和良好的成骨能力而被大量用作骨组织工程材料，它们对细胞有良好的吸附能力并且有利于细胞增殖1 1 1 3 1 8 1 。2丝素蛋白，羟基磷灰石复台多孔材料的制各及其结构、性能第一章羟基磷灰石是自然骨无机相的主要成分，是用于骨组织工程的首选材料。羟基磷灰石生物陶瓷是典型的生物活性陶瓷，它与骨形成键合表现在：光学显微镜下，新骨和羟基磷灰石植入体在界面上直接接触，其间无纤维组织存在；羟基磷灰石植入体与骨界面的结合强度等于甚至超过植入体或骨自身的结合强度，如果发生断裂则往往是发生在陶瓷或骨的内部而不是在界面上；羟基磷灰石植入体与骨界面的高分辨透射电镜显示新生骨中盐晶体系由植入体中晶体外延生长形成【4 】。多孔羟基磷灰石材料有良好的生物相容性和骨传导性，并有一定的骨诱导作用，己作为天然骨的替代物广泛应用于医疗领域，然而单一模仿无机骨成份合成的纯羟基磷灰石材料力学性能差、脆性大，在体内几乎不能降解【l2 1 9 1 胶原是结缔组织的主要蛋白成分，约占机体总蛋白的2 0 3 0 ，在自然骨基质中以纤维形态存在，适用于骨组织工程材料f 2 0 1 。i 型胶原蛋白的氨基酸组成为表1 。胶原有良好的生物相容性和一定的骨诱导能力，常和羟基磷灰石复合制成羟基磷灰石基复合材料以改善材料的性能。这种复合材料，组成接近于自然骨的组成，结合了胶原蛋白的骨诱导性和羟基磷灰石的生物活性，减小了材料的脆性【2 l 】。国外有资料表明羟基磷灰石胶原复合材料生物相容性良好，对人类造骨细胞的黏附性良好并能使造骨细胞在材料上顺利分化和增殖 2 2 1 。我国黄永辉等f 2 3 1 把纳米羟基磷灰石胶原骨材料应用于临床，结果表明这种骨修复材料具有良好的生物相容性和骨传导性，有良好的材料细胞界面和一定的生物降解性，植入此材料的患者无发热及全身不良反应，切口愈合良好。临床应用发现，植入1 至3 个月人工骨植入区与缺损周围的骨组织之间界限模糊，3 至6 个月左右植入材料与骨组织融合成一体，6 至1 2 个月骨结构塑形改建。第三节家蚕丝蛋白以及家蚕丝素蛋白家蚕丝蛋白由家蚕体内的绢丝腺合成、分泌，主要成分是丝素和丝胶，此外还含有少量的蜡、碳水化合物、色素和无机成分等，这些少量物质大部分分布于丝胶中。丝素和丝胶都是蛋白质，丝素是一种纤维蛋白，具有极性侧基的氨基酸残基含量约为3 0 ，在水中只膨润而不溶解；丝胶是一种球状蛋白，极性侧基氨基酸残基的含量约为8 0 ，能溶解于水。利用丝素与丝胶在水中的溶解性差别能顺利脱去蚕丝上的丝胶，把脱胶的丝溶于三元溶液( 氯化钙：水：乙醇= 1 ：8 ：2 ) 再经过透析就可以得到纯丝素蛋白溶液。家蚕丝纤维具有良好的生物相容性，被作为手术缝合线已有几十年的历史。家丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第一章蚕丝纤维虽然由于结构紧密而难被蛋白酶降解，但植入体内一年后仍然失去大部分强力。这种缓慢降解能为细胞培养和新组织的形成提供足够的时间和机械支持，适用于构建对降解速度要求较慢的支架 2 4 2 5 1 。而蚕丝丝素蛋白的结构是可以被改变的，结构疏松的蚕丝丝素蛋白易被蛋白质分解酶催化而水解，相应材料的生物降解速度则较快。我国是世界上的蚕丝生产大国，其生丝产量占世界总产量的7 0 左右，有丰富的家蚕丝资源。家蚕丝丝素中存在着结晶区、非结晶区以及两者的过渡准结晶区，结晶区中氨基酸侧基比较小，氨基酸排列整齐、致密。随形成条件不同，家蚕丝丝素存在两种不同晶体结构方式，丝素a 型和丝素b 型，又称为s i l k i 和s i l k ，其中s i l k l结构不稳定而s i l k i 结构则是稳定的。家蚕丝素蛋白的氨基酸组成如表2 。表li 型胶原蛋白的氨基酸组成1氨基酸m o l ( s l y ( 甘氨酸)p r o ( 脯氨酸)a l a ( 丙氨酸)h y p ( 羟脯氨酸)g l u ( 谷氨酸)a r g ( 精氨酸)a s p ( 天门冬氨酸)s e t ( 丝氨酸)l y s ( 赖氨酸)l e u ( 亮氨酸)v a l ( 缬氨酸)t h r ( 苏氨酸)p h e ( 苯丙氨酸)i l e ( 异亮氨酸)l y s ( 羟赖氨酸)t y r ( 酪氨酸)m e t ( 蛋氨酸)h i s ( 组氨酸)4娜ms ：勰”= 宝”= ! 盯丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第一章比较表1 和表2 可知，i 型胶原和丝素蛋白中都含有约1 3 的甘氨酸，两者都含有较多的丙氨酸。家蚕丝素蛋白( s i l kf i b r o i n ，s f ) 是复合蛋白，由h 链( 分子量3 5 0k d a ) ，l链( 分子量2 5 8k d a ) 及p 2 5 糖蛋白( 分子量2 3 5 5 胁) 组成，三者比例为h ：l ：p 2 5 = 6 ：6 ：1 t 2 7 1 。家蚕丝素蛋白本身的蛋白质结构能提供多个位点来进行生物大分子修饰，有研究表明将r g d ( a r g g l y - a s p ) 肽引入丝蛋白膜表面能显著提高材料的骨诱导性口8 2 9 1 。人类成骨细胞、内皮细胞和上皮细胞等细胞均能在家蚕丝素蛋白材料上较好地黏附、扩展、生长及分化3 0 1 。家蚕丝素蛋白在乙醇中难溶，而乙醇对活组织无害，这种特性也有助于丝素蛋白用于生物材料【3 ”。表2 家蚕丝素蛋白的主要氨基酸组成 2 6 1丝索蛋白，羟基磷灰石复台多孔材料的制各及其结构、性能第一章近年，国内外将家蚕丝素蛋白用于组织工程材料、药物控制释放材料和组织诱导材料的研究很活跃。k y o u n g - h w ak i m 等【3 2 1 将丝蛋白纳米纤维膜用于骨组织工程，研究表明这种蛋白膜有良好的生物相容性，能提高骨再生能力并不引起任何炎症反应。丝素蛋白对细胞的黏附、扩展、分化和生长的作用与胶原相似，有研究表明丝素蛋白膜在体内引起的炎症反应要小于胶原蛋白膜【3 2 3 3 1 。与目前已经商业化的i 型胶原相比，丝素蛋白提取方法简便，成本低廉，是一种极具潜力的组织工程材料。第四节s f h a 复合材料目前，国内外对s f h a 复合材料的研究报道很少。清华大学材料与工程学院曾研究过丝素蛋白对羟基磷灰石纳米晶体矿化的影响【3 4 1 ，研究结果表明丝素蛋白能调节纳米羟基磷灰石晶体的矿化，使其在0 0 2 晶面上优先排列。在纳米复合物中，丝素蛋白和羟基磷灰石晶体间形成了较强的化学键合。透射电镜显示，复合材料中的纳米原纤维呈棒状，直径约为2 - 3n m 。m a m o r u 3 5 】等用丝素蛋白粉、磷酸和氢氧化钙为原料，采用中和法，制得s f h a纳米复合材料，改变丝素蛋白在材料中的含量，比较了不同样品的微结构和理化性能。研究结果表明丝素蛋白能为羟基磷灰石的成核和晶体生长提供模板，引入丝素蛋白后羟基磷灰石晶体在材料中分散更加均匀，材料的显微硬度增加。一年后，m a m o r u 3 6 1 等又采用同样的方法制备s f h a 复合材料，比较了经碱预处理和未经碱预处理的丝素蛋白粉所制粉末的微结构和其溶胶的凝胶化行为，结果表明碱预处理并不影响复合材料的结晶和化学状态，但由于经预处理的丝素蛋白能提供更多的功能基团，复合材料中矿物相和有机相的结合更加牢固，材料的显微硬度增加并能形成更好的三维网络结构。第五节本课题的研究目的和内容羟基磷灰石、家蚕丝素蛋白各自用于生物医学材料的成功和前人对s f h a 复合材料结构、性能的研究为本课题的开展提供了良好的可行性依据。本课题的目的是以将来应用于骨组织工程为目标，制备s f h a 复合多孔材料，初步研究在不同制备工艺条件下多孔材料的结构和性能，获得控制多孔材料力学性能、孔结构的技术，为研制s f h a 复合多孔材料和后续的应用研究提供实验依据。6丝素蛋白，羟基磷灰石复台多孔材料的制各及其结构、性能第一章围绕本课题的研究目的，具体研究内容为：( 1 ) 制各s f h a 复合粉末，研究粉末的组成和结构以家蚕丝素蛋白作为羟基磷灰石沉积的模板，用磷酸、氢氧化钙悬浊液和丝素蛋白溶液为原料，采用中和法制备s f h a 复合悬浊液；将悬浊液干燥、研磨后制备s f h a 复合粉末，研究粉末的组成和形态结构。( 2 ) 制备s f h a 复合多孔材料，研究复合材料的结构和性能以食盐为致孔剂，以家蚕丝素短纤维为增强材料，经预压和等静压成型制备s f h a 多孔材料。改变家蚕丝短纤维在复合材料中的质量百分比，研究短纤维含量的变化与复合材料力学性能之间的关系；改变致孔剂在复合材料中的质量百分比，研究致孔剂含量与复合材料孔结构参数和力学性能变化的关系。丝索蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第二章第二章s f h a 复合粉末的制备及其性质第一节材料与方法1 1 实验材料无水碳酸钠，无水氯化钙，无水乙醇等，均为分析纯。家蚕生丝( 购自浙江省) 。碳酸钙，磷酸，均为分析纯。生化试剂羟基磷灰石。广范p h 试纸，普通滤纸，双面胶，表面活性剂等。1 2 实验器械a l c 2 1 0 2 型电子天平、电炉、d h g 9 2 4 6 a 型电热恒温鼓风干燥箱、d f 1 0 i s型集热式恒温加热磁力搅拌器、8 1 2 型恒温磁力搅拌器、透析袋、高温炉、k q - 8 0 0 t d e 型高频数控超声波清洗器、s h z d ( i i i ) 型循环水式真空泵、低温冰箱、v i r t i sg e n e s i s 2 5 l e 型冷冻干燥机、k m 型快速研磨机、冰箱、h i t a c h i s 5 7 0型扫描电子显微镜( 日本日立公司) 、j y d 一9 0 0 智能型超声波细胞粉碎机、l s 8 0 0型静态粒径分析仪( 欧美克公司) 、p e r k i ne l m e rt g - 7 型热分析仪、m a t t s o na l p h ac e n t a u r i 傅立叶变换红外光谱仪、d m a x - 3 e 型全自动x - 射线衍射仪( 日本理学电机株式会社) 、锥形瓶、磁力搅拌转子、玻璃蒸发皿、坩埚、圆底三颈烧瓶、等压滴液漏斗、布氏漏斗、试管、玻璃棒、橡胶管等。1 3 家蚕丝素溶液的制备及浓度测定1 3 1 家蚕丝纤维脱胶家蚕生丝置于约0 5 的无水碳酸钠溶液中，于9 0 - 1 0 0 。c 处理3 0m i n ，重复操作三次，前两次用自来水，最后一次用去离子水，以脱去蚕丝中的丝胶。脱胶后洗净，烘箱6 0 烘干后得到精炼蚕丝，精炼丝拉松备用。1 3 2 丝素纤维溶解配制c a c l 2 c h 3 c h 2 0 h h 2 0 ( 摩尔比1 ：2 ：8 ) 三元溶液。于7 0 2 在三元溶液中搅拌溶解拉松的家蚕精炼丝纤维，浴比l ：1 0 ，时间1h ，得到混合溶液。丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第二章1 3 3 透析将丝素溶液装入透析袋，在流动自来水中透析4 8h 之后换用去离子水，每小时换一次水，持续4 8h 。经透析得到纯家蚕丝素蛋白溶液，溶液经纱布过滤装入试剂瓶中保存于冰箱备用。1 3 4 家蚕丝素蛋白溶液的浓缩将纯家蚕丝素蛋白溶液倒入玻璃表面皿，于4 5 c 搅拌，用电扇吹加速其水分的蒸发。蒸发浓缩过程中防止表面结膜和表面起泡沫。浓缩过程持续2 4h 。1 3 5 家蚕丝素蛋白浓缩液浓度的测定自制金属表面皿编号放入1 0 5 c 烘箱中0 5h ，取出称重得到皿重w o ( 曲，倒入经浓缩的丝素蛋白溶液，称重得到w l ( 曲，放入烘箱4 h 后取出称重，以后每隔2 0m i n 称重一次，直到重量不再变化时记下数据为w 2 ( g ) 。依据式( 1 ) 计算得到家蚕丝素蛋白溶液的浓度。浓度( ) 2 丽w 2 - w 00 0( 1 )1 4s f h a 悬浊液和羟基磷灰石悬浊液的制备1 4 1 氧化钙的制备将碳酸钙倒入坩埚放入高温炉，达到1 0 5 0 c 后保持温度4h 。4h 后关闭高温炉，开炉门静置2 3 h 后取出氧化钙倒入广口瓶，放入干燥器中保存备用。1 4 2s f h a 悬浊液的制备将6 6 9 克c a o 溶于8 0 m l 去离子水中，得到饱和c a ( o h ) 2 悬浊液。6 5 m l 浓度为8 5 的h 3 p 0 4 用3 0m l 去离子水稀释备用。将饱和c a ( o h ) 2 悬浊液和h 3 p 0 4 溶液按1 6 7 的钙磷比同时滴入装有5 0 0m l 去离子水和1 0 0m l 浓度为3w t 丝素溶液的圆底三颈瓶中。边滴入边搅拌，同时用超声波振荡，控制反应p h 值为8 o 9 0 ，温度为6 0 c 。加样结束后，6 0 。c 继续搅拌振荡2h ，后于室温陈化4 8h ，得到s f h a悬浊液。1 4 3 羟基磷灰石悬浊液的制备将6 6 9 克c a o 溶于8 0m l 去离子水中，得到饱和c a ( o h ) 2 悬浊液。6 5m l 浓度为8 5 的h 3 p 0 4 用3 0i i l l 去离子水稀释备用。将饱和c a ( o h ) 2 悬浊液和h 3 p 0 4 溶液9丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制备及其结构、性能第二章按1 6 7 的钙磷比同时滴入装有5 0 0m l 去离子水的圆底三颈瓶中。边滴入边搅拌，同时用超声波振荡，控制反应p h 值为8 o 9 0 ，温度为6 0 。c 。加样结束后，6 0 。c继续搅拌振荡2h ，后于室温陈化4 8h ，得到羟基磷灰石悬浊液。1 5s f h a 复合粉末的制备真空抽滤s f h a 复合粉末的悬浊液去除多余水分，得到凝胶状物质于低温冰箱中- 4 0 c 冷冻1 2h 再经约4 8h 减压干燥后得到s f h a 复合固体。将s f h a 复合固体放入研磨罐，以质量比l ：4 的比例加入陶瓷珠。每研磨1 5r a i n关机静置5m i n ，重复6 次。研磨好的粉末装入密封袋低温保存。1 6 复合粉末的结构和性能1 6 1 扫描电镜( s e m )使用胶头滴管取适量s f h a 悬浊液，滴1 一2 滴于盖玻片上，盖玻片用双面胶固定于电镜台上。取悬浊液时注意浓度不能太浓。用h 1 t a c h i s 5 7 0 型扫描电子显微镜( 日本日立公司) 观察复合粉末的形态结构。1 6 2 粒径分析滴1 2 滴s f i - i a 悬浊液于试管中，用适量去离子水稀释，加入1 2 滴表面活性剂后摇匀。粒径分析之前用超声波细胞粉碎机超声震荡。用l s 8 0 0 静态粒径分析仪( 欧美克公司) 测定复合粉末的粒径分布。1 6 3 热分析对s f h a 复合粉末和商品生化试剂羟基磷灰石粉末进行热分析。用p e r k i ne l m e rt g 一7 型热分析仪以1 0 0 。c r a i n 的加热速度升温到8 3 0 对复合粉末进行热重分析，得到t g 和d t g 曲线并计算复合粉末中丝素蛋白的含量。1 6 4 红外吸收光谱用m a t t s o n a l p h ac e n t a u r i 傅立叶变换红外光谱仪，k b r 压片制样，测得s f h a复合粉末和购买所得生化试剂羟基磷灰石粉末的红外光谱。1 6 5x - 射线衍射s f h a 复合粉末和商品生化试剂羟基磷灰石粉末( 生化试剂羟基磷灰石需研磨) ，使用d m a x 一3 c 型全自动x 射线衍射仪( 日本理学电机株式会社) ，在管电压1 0丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第二章4 0k v ，管电流4 0 m a ，扫描速度5o r a i n 的条件下，记录得到2o = 5 7 0 。间的衍射强度曲线。第二节结果与讨论2 1 扫描电镜( s e m )由扫描电镜图像( 图2 ) 可见，合成的复合粉末为短棒状，两头微尖，其长度大于直径。比较在水中和在丝素溶液中合成的复合粉末，未见两者有明显区别。图2 扫描电镜图像：( a ) 在水中合成的羟基磷灰石，放大倍数1 5 万倍；( b ) 在水中合成的羟基磷灰石，放大倍数3 万倍；( c ) 在丝素溶液中合成的羟基磷灰石，放大倍数1 5 万倍；( d ) 在丝素溶液中合成的羟基磷灰石，放大倍数3 万倍丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第二章2 2 粒径分布图3 是s f h a 复合粉末的粒径分布图。复合粉末的粒径分布在8 2 2 1n l n 至1 1 8 6 n r n 范围内，在1 4 6 9 i 瑚和4 6 8 6 n n l 附近比较集中，平均粒径为2 7 5 7 b i n 。8 -邑6 喜4 g羞205|10 010 0 01 0 0 0 0d i a m e t e r 图3s f h a 复合粉末的粒径分布曲线2 3 热分析对s f h a 复合粉末及购买所得生化试剂羟基磷灰石粉末分别进行热重分析，得到如图4 所示的t g 曲线和d t g 曲线。生化试剂羟基磷灰石粉末在至7 6 3 ( 2 的加热过程中，重量缓慢而持续减小，未发生显著失重。而所合成的s f h a 粉末在同一温度下的失重比生化试剂羟基磷灰石粉末显著。d t g 分析表明，在8 4 7 、1 9 5 8 、3 3 2 2 、3 6 5 8 及4 6 1 8 附近分别发生显著失重，其中8 4 7 及1 9 5 8 分别是由于丝素蛋白失去自由水和结合水而造成，而3 3 2 2 、3 6 5 8 及4 6 i 8 则是由于丝素蛋白的分级热分解所造成。显然，s f h a复合粉末比生化试剂羟基磷灰石失重大是由于其中的丝素蛋白造成。丝素蛋白到6 0 0 已经完全分解，此时s f h a 复合粉末的失重率为2 5 2w t ，而生化试剂羟基磷灰石的失重率为7 4 w t ，因此二者之差1 7 8w t 可以看成是s f h a 复合粉末中丝素蛋白的质量百分比含量。2 4 红外吸收光谱图5 为s f h a 复合粉末及生化试剂羟基磷灰石粉末的红外吸收光谱。由图可见，二曲线在5 7 1c i t i 、6 0 2 锄一、1 0 3 4c l n 1 及1 1 0 0c i i l 1 附近都有较强吸收峰，是p 0 4 。的特征吸收；6 3 2c t i i 1 和3 4 5 0e l n - 1 附近都存在o h 的波峰，同时表明羟基磷灰石中1 2丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制备及其结构、性能第二章存在结构水。s f h a 复合粉末的红外吸收光谱曲线中，1 6 5 1 6c m 、1 5 3 5 8c n l - 1 和1 2 3 4 8c n l 。处都出现了较强吸收峰，这分别是丝素蛋白中酰胺i 、酰胺i i 和酰胺i的特征吸收蜂，说明复合粉末中确实明显存在丝素蛋白。o8 7 0b 即日a j 啪( a )0臼甲蒴u 哟08 0 0mt n n m m 删o0妇即日曲j 啪( d )图4t g 曲线和d t g 曲线：( a ) 生化试剂羟基磷灰石t g 曲线；( b ) s f h a 复合粉末t g 曲线( c ) 生化试剂羟基磷灰石d t g 曲线；( d ) s f h a 复合粉末d t g 曲线1 3丝素蛋白艟基磷灰石复合多孔材料的制备及其结构、性能第二章( b )图5 红外吸收光谱：( a ) 生化试剂羟基磷灰石；( b ) s f h a 复合粉末1 4丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第二章2 5x - 射线衍射51 52 53 54 55 56 52 日( o )图6x 射线衍射曲线：( a ) 生化试剂羟基磷灰石：c o ) s f h a 复合粉末s f h a 复合粉末和生化试剂羟基磷灰石粉末的x 射线衍射强度分别如图6 所示。由图中可见，s f i - i a 复合粉末中羟基磷灰石的晶面如( 0 0 2 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 1 1 2 ) 、( 3 0 0 ) 、( 2 0 2 ) 、( 3 1 0 ) 、( 2 2 2 ) 、( 2 1 3 ) 等均已出现特征衍射峰，与生化试剂羟基磷灰石相似。其中3 1 8 。( 2 1l 晶面) 及2 5 9 。( 0 0 2 晶面) 为其主要衍射峰，且无杂峰。证明用本文所述方法制备的复合粉末中的磷酸钙盐是具有一定结晶结构的羟基磷灰石。但衍射蜂的底部较宽，峰形也不尖锐，说明羟基磷灰石的结晶度并不高，这作为需要能被生物降解的硬组织修复材料是有利的性质。s f h a 复合粉末中羟基磷灰石的晶粒直径可用s c h e r r e r 公式( 2 ) 计算口7 3 8 】：d ：旦圆bc o s o毕公式中d 为结晶尺寸； 为x - 射线衍射波长， = 0 1 5 4 n l n ；1 3 为衍射峰半高宽：0 为入射角。羟基磷灰石属六方晶系，结晶时沿晶轴c 轴方向生长，用0 0 2衍射蜂上( 2 0 = 2 5 9o ) 的半高宽计算晶体沿c 轴的结晶尺寸。经计算，合成的s f h a复合粉末中羟基磷灰石的晶粒直径为2 7 1 8n n l ，生化试剂羟基磷灰石的晶粒直径为2 5 4 7n l n ，说明在丝素蛋白大分子溶液中，羟基磷灰石可以沿c 轴取向生长。第三节本章小结3 1 经x 射线衍射分析和红外光谱分析，确认用本文所述方法合成的粉末是s f h a(s乳u一蚤器ads丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第二章复合粉末。3 2 扫描电镜图片显示s f h a 复合粉末是短棒状、两头微尖的颗粒，其长度大于直径。粒径仪分析表明复合粉末的平均粒径约为2 7 5 7n m ，范围分布在8 2 2 1n m至1 1 8 6 n l t l 之间。经热重分析所得曲线计算出s f h a 复合粉末中丝素蛋白的含量为1 7 8 叭。3 3 丝素蛋白大分子能促进羟基磷灰石结晶沿c 轴取向生长。1 6丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第三章第三章纤维添加量对s f h a 复合多孔材料结构和性能的影响第一节材料与样品制备1 1 实验材料无水碳酸钠，无水氯化钙，无水乙醇等，均为分析纯。家蚕生丝( 购自浙江省) ，经脱胶的家蚕丝纤维。碳酸钙，磷酸，n a c l 均为分析纯。广范p h 试纸，普通滤纸，双面胶，表面活性剂，橡胶管，脱脂纱布，保鲜袋，去离子水等。1 2 实验器械a l c 2 1 0 2 型电子天平、电炉、d h g 9 2 4 6 a 型电热恒温鼓风干燥箱、d f 一1 0 1 s型集热式恒温加热磁力搅拌器、8 1 - 2 型恒温磁力搅拌器、透析袋、高温炉、k q 一8 0 0 t d e 型高频数控超声波清洗器、s h z d ( i i ) 型循环水式真空泵、低温冰箱、v i r t i sg e n e s i s 2 5 l e 型冷冻干燥机、k m 型快速研磨机、冰箱、h i t a c h i s 5 7 0型扫描电子显微镜( 日本日立公司) 、j y d 9 0 0 智能型超声波细胞粉碎机、y - 6 3 型液压机、o l y m p u sf e - 1 1 0 相机、等静压仪( 上海硅酸盐研究所) 、d h g 9 2 4 6 a 型电热恒温鼓风干燥箱、8 0 f l ( 2 0 0i x m ) 筛网、6 0 目( 3 0 0p m ) 筛网、u n i p o l 8 0 0 型研磨抛光机、m q d 3 2 2 0 型轻型台式砂轮机、s y j 1 5 0 型低速金刚石切割机、w d t - 1 0型万能电子强力机( 深圳凯强利公司) 、i n s t r o n 一1 1 9 5 型万能材料试验机、游标卡尺、粗细耐水砂纸、量筒、锥形瓶、磁力搅拌转子、玻璃蒸发皿、坩埚、圆底三颈烧瓶、等压滴液漏斗、布氏漏斗、烧杯、玻璃棒、剪刀、直尺、橡胶管、自制玻璃皿、双面胶等。自制金属模具大小各一套，大模具压出圆柱形样品的直径在2 0 m i l l 左右，小模具压出的样品直径在1 0 i t l r n 左右。模具的尺寸如图7 所示( 图中单位：m m ) ：丝素蛋白艟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第三章一音一+ 斗奄2 08 3 产一一9 01 8( c )( a )( b )( d )丝素蛋白，羟基磷灰石复台多孔材料的制各及其结构、性能第三章图7 模具尺寸图呀( e )其中( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 为大模具组合，( b ) 、( c ) 为压杆，样品尺寸小时用压杆，样品尺寸大时用( c ) 压杆，( d ) 塞入( a ) 中，目的为防止未成型样品外泄变形。( e ) 、( d 、( 曲、 为小模具组合，使用方法同大模具。9丝素蛋白屈基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第三章1 3 家蚕丝素溶液的制备及浓度测定方法同第二章中1 3 所述。1 4s f i i a 悬浊液的制备及含固量测定制备方法同第二章中1 4 所述。自制金属表面皿编号放入1 0 5 ( 2 烘箱中0 5h ，取出称重得到皿重w o ( 曲。把烧杯中的悬浊液搅拌均匀并尽量延长搅拌时间，用小烧杯取适量搅拌均匀的悬浊液倒入表面皿中，称量并记下数据w l ( 蓟。放入烘箱4h 后取出称重，以后每隔2 0 m i n称重一次，直到重量不再变化时记下数据为w 2 ( 曲。依据式( 3 ) 计算得到s f h a 复合粉末悬浊液的含固量。含固量( ) 2 万w 2 二- 瓦w ox 1 0 0( 3 )1 5s f h a 复合粉末的制备方法同第二章中1 5 所述。1 6s f i i a 致密材料的制备将浓度为3w t 的丝素蛋白溶液滴加入s f h a 粉末中( 8 3 滴，克) ，混匀，用1 5 v p a 的压力压5r a i n 预成型，再经2 5 0m p a ，5m i n 等静压成型。1 7s f h a 复合多孔材料的制备截取一缕精练丝，切割成长度为2m m 的短纤维。将分析纯n a c l 倒入8 0 目( 2 0 0 9 m ) 的筛网中，筛掉颗粒直径小于2 0 0 i _ t m 的n a c l ，然后用6 0 目( 3 0 0 1 a m ) 的筛网筛出颗粒直径小于3 0 0 a m 的n a c l ，即得到直径位于2 0 0 3 0 0 “m 之间的n a c l 颗粒。按表3 所示质量百分比在s f h a 悬浊液中加入短纤维，先用玻璃棒搅拌使纤维沉入悬浊液中并尽量搅拌使纤维分散。使用y y d 一9 0 0 智能型超声波细胞粉碎机将搅拌好的悬浊液超声震荡，参数设定为：每次超声时间2 0s 、间隔时间3s 、超声次数1 0 次、功率3 8 0 w 、温度6 0 c 。将混入短纤维的悬浊液倒入铺好普通滤纸的布氏漏斗，真空抽滤直到真空度为丝索蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第三章零，此时原悬浊液呈块状，倒出并剥去滤纸，放入冰箱保存。按表3 所示比例将s f h a 块状物、n a c i 颗粒和经过浓缩的丝素蛋白溶液混合均匀。用脱脂纱布包裹塞入自制金属模具中，用液压机于1 5m p a 的压力下压5m i n预成型。预压后的材料呈圆柱状，用保鲜袋三层包裹扎紧后再经2 5 0m p a ，5m i n等静压成型。将等静压成型后的材料剥去保鲜袋和脱脂纱布后放入烧杯中，倒入配置好的7 5 乙醇溶液。乙醇溶液浸泡4h 后换去离子水浸泡，每lh 换一次去离子水。1d后取出材料放入4 5 。c 烘箱干燥，4 8h 后升高温度至1 0 5 c 再干燥2h ，得到s f h a复合多孔材料。表3s f h a 复合材料样品的成分配比、n 坌组成羟基磷灰石( g )丝素蛋白( g )n a c l ( g )纤维( g )样品号lo2o 5 u31 uu2 u 1 52 u41 5 u52 u62 5 u注：( 1 ) 设每种样品取用羟基磷灰石u 克( 2 ) 丝素溶液浓度为9w t 第二节测试方法2 1 形态结构制各平整的观察试样，h i t a c h i s 一5 7 0 型扫描电子显微镜( 日本日立公司) 观察复合多孔材料的表面、截面及孔结构形态。2 2 密度及孔隙率测定用排液法测定样品的密度及孔隙率。用砂纸打磨样品表面，使表面尽量光滑并去掉不规则样品棱角。放入1 0 5 c 烘箱中烘燥，3 0r a i n 后取出，称样品干重w ( g ) ，2 1丝素蛋白，羟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第三章随后将乙醇倒入装样品的小烧杯中，乙醇应浸没样品。将烧杯放入大干燥器中抽真空1h ，目的是让样品充分浸润，除去样品孔洞中的所有空气。把浸泡过的样品放入盛有一定体积v l ( m 1 ) 乙醇的量筒中，记下放入样品后液面高度v 2 ( m d 并称充分浸润后样品的重量w i ( 曲。根据以下公式计算样品的密度p ( 鲫【1 1 1 ) 及孔隙率m ( 呦( 乙醇密度为0 7 8g c m 3 ) 。p ：；车( 4 )2 万鬲m = 丽( w 而1 - w ) x 1 0 0( 5 )o 7 8 x f 矿2 一矿1 )。2 3 抗弯强度测试s f h a 多孔材料取长度大于2 01 r 1 1 l 的样品，加工其厚度为9f i l m 。加工时注意垂直样品厚度方向的两个表面应平行，样品上不应有裂缝，各个表面应尽量光滑。加工好后测量样品的宽度，每个样品测三处纪录数据，计算时取其平均值。样品的尺寸如表4 所示。表4 抗弯强度测试样品尺寸纤维含量o0 5l1 522 5( w c )长( )大于2 0厚( n u n )9宽( r a m )l o 9 51 0 3 01 0 4 81 2 0 61 0 6 81 1 6 4在室温，跨距为2 0r a i n ( 其中s f h a 致密材料的跨距为1 3 1 2 9m m ) ，加压速度为2m m m i n 的条件下测定s f i - i a 多孔材料的断裂压力。根据多孔陶瓷抗弯强度实验方法( g b l 9 6 5 8 0 ) 的规定计算样品的抗弯强度。将样品折断时承受的力值带入公式( 6 ) 可计算出样品的抗弯强度r f or i = 筹等( m p a )( 6 )式中p b ( n ) 为样品折断时的负荷；l ( m m ) 为跨距；b ( m m ) 为样品宽；h ( m m ) 为样品厚。丝素蛋白艟基磷灰石复合多孔材料的制各及其结构、性能第三章2 4 抗弯断裂能的测试测试样品准备方法同2 3 ，样品尺寸如表5 所示。在室温，跨距2 0m m ，加压速度2m m m i n 的条件下测定s f h a 多孑l 材料断裂时消耗的能量，即为抗弯断裂能。将抗弯断裂能g f 带入公式( 7 ) 可计算出样品的比抗弯断裂能g f 7 。g f k 孚( m j i n i n 2 )( 7 )式中s ( m m 2 ) 为样品断裂面的面积。表5 抗弯断裂能测试样品尺寸纤维含量o0 511 522 5( w t )长( m m )大于2 0厚( m m )9宽( n h n )1 0 9 51 0 7 61 1 0 31 1 3 01 0 8 01 1 3 62 5 抗压强度测试s