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
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(Carbonnano-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-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-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。 本文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FIR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。
骨修复材料;玻璃陶瓷;碳纳米纤维;生物活性
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
贾晓龙
2015
中文
TB347;TB303
76
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）