羟基磷灰石表面改性及相关复合物的研究

论文摘要

羟基磷灰石（HA或HAP）具有良好的生物相容性和成骨活性,能够与骨组织形成牢固的键性结合,是公认性能良好的骨修复替代材料。但其在应用中存在易碎性、机械强度低和体内降解性差等缺陷。因此,人们常将HAP和有机物复合以改善性能,复合生物材料结合了HAP的生物特性与有机基质的易加工性、机械性能及降解性。但是HAP在与其它有机物复合时还存在一些问题：HAP属极性分子,具有亲水特性,在和有机基质复合时两相界面结合强度下降,导致复合物力学强度下降；纳米级HAP由于相互间的范德华力和氢键等作用力会聚集形成微米颗粒,这会降低复合物生物性质表达。最常用的方法是HAP纳米粒子表面改性,通过HAP的表面改性不仅可以提高颗粒的分散度和胶体稳定性,还可以提高与有机基质之间的相互作用,从而增强复合物的力学强度。本文通过四种不同的方法对HAP纳米粒子改性,并研究了改性对复合物性质的影响。本论文主要研究内容和结论概括如下：（1）制备羟基磷灰石（HAP）：采用化学沉淀法制备了羟基磷灰石纳米粒子,并研究了HAP纳米粒子的基本性质。（2）开环反应（Ring opening polymerization）:利用HAP表面的羟基直接引发己内酯（CL）的开环反应,得到表面接枝聚己内酯（PCL）的改性HAP（g-HAP）,对比了HAP和g-HAP的性质,研究了两者对复合支架力学性能、热性能和孔隙率等影响。（3）原子转移自由基反应（ATRP）和开环反应：先通过ATRP反应在HAP表面接枝了聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMA）,再利用PHEMA所带的羟基官能团开环反应在HAP表面接枝了梳状PCL,在HAP表面增加羟基的数目可以有效方便的增加接枝聚合物的含量,随着PCL含量的增加,悬浮稳定性和支架的力学性能增加的更明显。（4）反向原子转移自由基反应（reverse ATRP）:通过反应使HAP表面的羟基官能团转变为过氧化官能团,这些官能团可以引发甲基丙烯酸甲酯的reverse ATRP反应接枝一部分PMMA,末端残余的Br官能团可以继续引发MMA的ATRP反应。Reverse ATRP动力学研究表明在HAP表面反应是可控活性聚合。透射电子显微镜（TEM）表明随着接枝PMMA含量的增加,改性粒子在有机溶剂中的分散性增加,同时,复合物的压缩模量也随之升高。（5）原子转移自由基反应：通过反应使HAP表面羟基变为溴官能团,这些官能团可以引发ATRP反应在HAP表面接枝上聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,得到PMMA-g-HAP （M-HAP）.接触角测试表明接枝PMMA后,HAP表面由吸水性转变为疏水性,悬浮稳定性测试表明改性粒子在有机溶剂和水溶液中的分散性都得到提高。通过对蛋白质吸附和释放的研究,发现良好的分散性有利于蛋白质的吸附。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 骨的结构与组成
• 1.3 骨修复与重建用复合材料的研究进展
• 1.3.1 医用金属材料
• 1.3.2 生物陶瓷材料
• 1.3.3 高分子材料
• 1.3.4 医用复合材料
• 1.4 存在的问题
• 1.5 HAP表面改性
• 1.5.1 偶联剂修饰改性
• 1.5.2 酯化反应修饰改性
• 1.5.3 聚合物接枝包覆改性
• 1.6 存在的问题以及拟解决办法
• 1.6.1 存在的问题
• 1.6.2 拟解决办法
• 第2章 HAP的制备及表面接枝线性聚己内酯开环聚合
• 2.1 前言
• 2.2 实验步骤
• 2.2.1 原料与试剂
• 2.2.2 实验仪器与设备
• 2.2.3 羟基磷灰石纳米粒子的制备
• 2.2.4 HAP表面接枝聚己内酯（PCL）
• 2.2.5 HAP/PCL复合支架的制备
• 2.3 表征手段
• 2.3.1 红外光谱（FTIR）
• 2.3.2 热重分析（TGA）
• 2.3.3 X射线衍射（XRD）
• 2.3.4 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.5 凝胶渗透色谱仪（GPC）
• 2.3.6 差示扫描量热法（DSC）
• 2.3.7 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.8 万能测试机
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 HAP的制备及表征
• 2.4.2 HAP表面接枝PCL表征
• 2.4.3 复合支架的表征
• 2.5 本章小结
• 第3章 HAP表面接枝梳状聚己内酯
• 3.1 前言
• 3.2 实验步骤
• 3.2.1 原料与试剂
• 3.2.2 实验仪器与设备
• 3.2.3 羟基磷灰石纳米粒子的制备
• 3.2.4 HAP表面接枝聚己内酯（PCL）
• 3.2.5 合成表面带有引发剂的HAP
• 3.2.6 HAP表面接枝PHEMA过程
• 3.2.7 HAP表面接枝梳状PCL过程
• 3.2.8 HAP/PCL复合支架的制备
• 3.3 表征手段
• 3.3.1 红外光谱（FTIR）
• 3.3.2 热重分析（TGA）
• 3.3.3 X射线衍射（XRD）
• 3.3.4 透射电子显微镜（TEM）
• 3.3.5 凝胶渗透色谱仪（GPC）
• 3.3.6 万能测试机
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 FTIR表征
• 3.4.2 TGA表征
• 3.4.3 XRD表征
• 3.4.4 TEM表征
• 3.4.5 分散性表征
• 3.4.6 支架SEM表征
• 3.4.7 孔隙率测试表征
• 3.4.8 力学性能测试表征
• 3.5 本章小结
• 第4章 HAP表面反向ATRP接枝聚甲基丙烯酸甲酯
• 4.1 前言
• 4.2 实验步骤
• 4.2.1 原料与试剂
• 4.2.2 实验仪器与设备
• 4.2.3 羟基磷灰石纳米粒子的制备
• 4.2.4 HAP表面引入过氧化基团
• 4.2.5 HAP表面引发反向ATRP反应
• 4.2.6 表面引发ATRP反应
• 4.2.7 制备PMMA复合物
• 4.3 表征手段
• 4.3.1 红外光谱（FTIR）
• 4.3.2 热重分析（TGA）
• 4.3.3 X射线衍射（XRD）
• 4.3.4 透射电子显微镜（TFM）
• 4.3.5 凝胶渗透色谱仪（GPC）
• 4.3.6 万能测试机
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 表面氯元素含量的测定
• 4.4.2 表面过氧化基团含量的测定
• 4.4.3 反向ATRP动力学研究
• 4.4.4 TGA表征
• 4.4.5 FTIR表征
• 4.4.6 XRD表征
• 4.4.7 TEM表征
• 4.4.8 压缩性能表征
• 4.5 本章小结
• 第5章 HAP表面ATRP接枝聚甲基丙烯酸甲酯
• 5.1 前言
• 5.2 实验步骤
• 5.2.1 原料与试剂
• 5.2.2 实验仪器与设备
• 5.2.3 羟基磷灰石纳米粒子的制备
• 5.2.4 合成表面带有引发剂的HAP
• 5.2.5 表面ATRP引发MMA
• 5.3 表征手段
• 5.3.1 红外光谱（FTIR）
• 5.3.2 热重分析（TGA）
• 5.3.3 X射线衍射（XRD）
• 5.3.4 透射电子显微镜（TEM）
• 5.3.5 扫描电子显微镜（SEM）
• 5.3.6 差示扫描量热法（DSC）
• 5.3.7 接触角
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.4.1 FTIR表征
• 5.4.2 TGA表征
• 5.4.3 DSC表征
• 5.4.4 XRD表征
• 5.4.5 接触角表征
• 5.4.6 悬浮稳定性表征
• 5.4.7 TEM以及SEM表征
• 5.5 本章小结
• 第6章 表面改性对羟基磷灰石蛋白吸附的影响
• 6.1 前言
• 6.2 实验步骤
• 6.2.1 原料与试剂
• 6.2.2 实验仪器与设备
• 6.2.3 羟基磷灰石纳米粒子的制备
• 6.2.4 合成表面带有引发剂的HAP
• 6.2.5 表面ATRP引发MMA
• 6.2.6 蛋白质吸附
• 6.2.7 纳米粒子-蛋白质复合物的体外释放试验
• 6.3 表征手段
• 6.3.1 红外光谱（FTIR）
• 6.3.2 热重分析（TGA）
• 6.3.3 紫外分光光度计
• 6.4 实验结果与讨论
• 6.4.1 FTIR表征
• 6.4.2 TGA表征
• 6.4.3 悬浮稳定性表征
• 6.4.4 蛋白质吸附
• 6.4.5 蛋白质释放
• 6.5 本章小结
• 第7章 全文总结和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表论文