磷酸钙骨水泥/明胶—壳聚糖多孔复合支架的研究

论文摘要

以明胶-壳聚糖（Gel-CS）多孔网络结构增强磷酸钙骨水泥（CPC）多孔支架,仿生构建多级孔结构,形成具有“支架中的支架”型结构的三维复合材料-CPC/Gel-CS多孔复合支架是制备骨组织工程材料的一种有益探索。首先考察了α-磷酸钙（α-TCP）体系CPC的固化机理与烧结特性。结果表明该CPC在100%湿度、37℃环境中固化3天即水化完全,X-射线衍射谱图（XRD）和扫描电镜（SEM）分析证实,水化产物为结晶不完善的缺钙羟基磷灰石（CDHA）。选定不同温度对其烧结特性进行考察,XRD、差示扫描量热（DSC）分析表明低温煅烧相（700℃以下）主要由CDHA和β-焦磷酸钙（β-Ca2P2O7）组成;而高温烧结相（700℃以上）由β-磷酸三钙（β-TCP）或β-TCP/HA组成。500℃煅烧和1050℃烧结相具有较好的抗压缩性能和较稳定的相态。CS致孔剂的填充对CPC水化进程的影响较小,对其烧结性能基本也不产生影响,在500℃以下即可被烧除,是一类优良的致孔剂。以CS微球（300～450μm）作为致孔剂,采用烧结成孔法制备了大孔CPC支架。对比研究了低温煅烧（500℃）和高温烧结（1050℃）大孔支架的性能。SEM观察表明,CS微球重量分数在30%以上时,形成的孔开始部分相连或只有一薄壁相隔,高温烧结支架孔的连通性更好,支架的孔隙率均在80%以上。采用CS小微球（76～108μm）和CS短纤维（直径450μm左右、长度5～8mm）以提高CPC支架的孔连通性,结果证实短纤维的效果较为优良。压缩性能测试结果显示短纤维和CS大微球的配比适宜时,支架的力学强度有明显改善。采用减压法将不同浓度Gel-CS溶液灌入CPC多孔支架中,通过冷冻干燥相分离技术制备出CPC/Gel-CS复合多孔支架,构建具备多级孔结构的三维支架,同时实现对脆性CPC多孔材料的增强。通过改变预冻温度调控Gel-CS增强海绵体的孔结构。SEM观察、力学性能和孔隙率测试结果表明,复合支架内形成了多级孔（110μm、80150μm和300500μm）相互嵌套的微结构,经复合多孔支架的压缩强度和压缩模量均提高了6～10倍,而孔隙率有所下降,但均保持在65%以上。在模拟体液（SBF）中浸泡5天后CPC/Gel-CS支架的Gel-CS膜表面沉积了大量磷酸钙盐颗粒。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 骨组织工程材料
• 1.2.1 骨组织工程的基本原理和方法
• 1.2.2 骨组织工程对支架材料要求
• 1.2.3 组织工程对生物材料的挑战
• 1.2.4 常用骨组织工程支架材料
• 1.2.4.1 合成高分子材料
• 1.2.4.2 天然生物材料
• 1.2.4.3 无机非金属材料
• 1.3 骨组织工程支架设计与制备技术
• 1.3.1 支架的设计与构造
• 1.3.2 支架材料的制备技术
• 1.4 骨组织工程大孔支架材料的研究进展
• 1.4.1 单组分CPC 大孔支架的制备
• 1.4.2 多组分复合增强CPC 大孔支架的制备
• 1.4.2.1 非降解性纤维材料增强增强CPC 大孔支架
• 1.4.2.2 可降解性有机材料初期增强CPC 大孔支架
• 1.4.3 杂化增强大孔支架材料的制备
• 1.5 论文工作的提出
• 第二章 α-TCP 体系CPC 的固化机理及煅烧/烧结特性
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.1.1 主要实验原料
• 2.2.1.2 α-TCP 体系CPC 固相粉末及固化液的配制
• 2.2.1.3 壳聚糖（CS）微球的制备
• 2.2.2 主要实验设备
• 2.2.3 α-TCP 体系CPC 粉末与CS 微球共混物料（CPC/CS-S）的配制
• 2.2.4 CPC/CS-S 的注塑
• 2.2.5 烧结实验
• 2.2.6 力学性能测试
• 2.2.7 热重（TG）与热效应（DSC）测试
• 2.2.8 X-射线衍射（XRD）分析
• 2.2.9 扫描电镜（SEM）观察
• 2.2.10 孔隙率的测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 α-TCP 体系CPC 的固化
• 2.3.1.1 固化及相转变
• 2.3.1.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.3.1.3 空白固化体的压缩强度分析
• 2.3.2 CPC/CS-S 固化体烧结排胶温度的确定
• 2.3.3 烧结体的Ca/P 确定与计算
• 2.3.4 α-TCP 体系CPC 固化体的烧结特性
• 2.3.4.1 CPC 固化体的热重-差示扫描量热（TG -DSC）分析
• 2.3.4.2 XRD 表征
• 2.3.4.3 固化体的TG 、DSC 及烧结前后XRD 的综合分析
• 2.3.4.4 扫描电镜（SEM）观察
• 2.3.4.5 孔隙率的变化
• 2.3.4.6 力学性能分析
• 2.4 本章结论
• 第三章 CPC 多孔支架的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验主要原料
• 3.2.2 主要实验设备
• 3.2.3 α-TCP 体系CPC 原料的配制和CS 微球的制备
• 3.2.4 CS 纤维的处理
• 3.2.5 配制α-TCP 体系CPC 粉末与CS 致孔剂的共混物料
• 3.2.6 烧结实验
• 3.2.7 多孔支架材料的性能表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 多孔支架的构造原理
• 3.3.2 CPC/CS-S 支架的结构与性能
• 3.3.2.1 SEM 微观形貌分析
• 3.3.2.2 支架开孔孔隙率及直径的收缩性变化
• 3.3.2.3 多孔支架的力学性能
• 3.3.3 CPC/CS-SF 支架的结构与性能
• 3.3.3.1 SEM 微观形貌分析
• 3.3.3.2 多孔支架力学性能和孔隙率
• 3.4 本章结论
• 第四章 CPC/Gel-CS 复合多孔支架
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验主要原料
• 4.2.2 主要实验设备
• 4.2.3 CPC/Gel-CS 复合多孔支架的制备
• 4.2.4 CPC/Gel-CS 复合多孔支架的后处理
• 4.2.5 CPC/Gel-CS 复合多孔支架中聚合物量的测定
• 4.2.6 湿态CPC/Gel-CS 复合多孔支架力学性能的测试
• 4.2.7 复合多孔支架的模拟体液（SBF）处理
• 4.2.8 CPC/Gel-CS 复合多孔支架的其他性能表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 CPC/Gel-CS 复合多孔支架的形成机理
• 4.3.2 CPC/Gel-CS 复合多孔支架的结构与性能
• 4.3.2.1 CPC/Gel-CS-S 型复合支架的微观形貌
• 4.3.2.2 CPC/Gel-CS-SF 型复合支架的微观形貌
• 4.3.2.3 CPC/Gel-CS 复合多孔支架孔隙率的变化
• 4.3.2.4 CPC/Gel-CS 复合多孔支架的力学性能
• 4.3.3 预冻温度对CPC/Gel-CS-SF 复合多孔支架性能的影响
• 4.3.4 Gel-CS 浓度对CPC/Gel-CS-SF 复合多孔支架性能的影响
• 4.3.5 复合多孔支架干/湿态力学性能对比
• 4.3.6 SBF 处理的复合多孔支架
• 4.4 本章结论
• 全文主要结论
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间完成的论文
• 致谢