n-HA/PVA凝胶关节软骨修复材料制备与性能研究

论文摘要

聚乙烯醇（PVA）凝胶复合材料是一种潜在的优良关节软骨修复材料。本文采用原位合成和冷冻-解冻相结合的方法制备了纳米羟基磷灰石增强聚乙烯醇（n-HA/PVA）凝胶复合材料。通过多种实验检测手段对凝胶复合材料进行了显微形貌观察和结构表征;系统研究了复合水凝胶材料的力学性能和生物摩擦学性能。主要内容包括:1.通过在PVA溶液中原位合成n-HA粒子和冷冻-解冻相结合的方法制备n-HA/PVA凝胶复合材料。结果表明,PVA溶液同时起到分散剂的作用,可有效阻止晶粒长大、降低粒子结晶度和提高n-HA的分散性。显微形貌显示随着n-HA含量的增加,复合材料中n-HA粒子趋于团聚。2.n-HA/PVA凝胶复合材料的应力-应变呈现出典型的非线性特性,是一种粘弹性材料。拉伸和压缩强度均随基体PVA溶液的浓度和冷冻-解冻循环次数的增加而增加,随n-HA含量的增加呈现出先上升后下降的趋势。复合材料的拉伸模量随应变的增加呈线性增加,压缩模量随应变的增加呈指数规律上升。凝胶复合材料的储能模量和损耗模量均随频率、PVA溶液浓度和冷冻-解冻循环次数的增加而增加,随n-HA含量的增加呈现出先上升后下降的变化趋势。当n-HA含量为6%时达最大值。3.凝胶复合材料的松弛速率随松弛时间的增加而快速下降,随n-HA含量的增加呈现出先上升而后下降的趋势,随初始应变量的增加而增加。归一化平衡松弛模量则随n-HA含量的增加表现为先下降后上升的变化趋势。建立了符合n-HA/PVA凝胶复合材料应力松弛行为的广义Maxwell模型。凝胶复合材料的松弛机理为:凝胶三维网络结构中大量自由水分在短时间内的挤出和聚乙烯醇高聚物键长和键角的瞬时变化导致其快速松弛;网络结构和高分子链段的运动导致中速和慢速松弛。4.利用Hertz接触理论和弹性流体润滑理论揭示了凝胶复合材料的摩擦系数随不同因素的变化规律。n-HA/PVA凝胶复合材料的摩擦系数随载荷的增加而上升,随摩擦配副不锈钢球半径和滑动速度的增加而下降,随n-HA含量的增加呈现出先下降而后上升的趋势。当n-HA含量为4.5%时,摩擦系数达到最小值0.0458。复合水凝胶在小牛血清润滑条件下的摩擦系数明显低于其在蒸馏水和生理盐水润滑下的摩擦系数。5.通过改变制备工艺可调控n-HA/PVA凝胶复合材料的力学性能和生物摩擦学性能。较佳制备工艺条件为:复合材料中n-HA含量为6%、基体PVA浓度为20%、冷冻-解冻循环次数为5次。制备的n-HA/PVA复合水凝胶材料具有与自然关节软骨相似结构、力学与摩擦学性能,是一种很有应用前景的关节软骨修复材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 关节软骨的结构与性能
• 1.2.1 关节软骨的结构
• 1.2.2 关节软骨的力学性能
• 1.2.3 关节软骨的润滑机理
• 1.3 关节软骨修复材料
• 1.3.1 关节软骨移植材料
• 1.3.2 组织工程化软骨
• 1.3.3 水凝胶关节软骨修复材料
• 1.4 人工关节软骨材料性能研究
• 1.4.1 人工关节软骨材料力学性能
• 1.4.2 人工关节软骨材料摩擦学性能
• 1.5 论文的主要工作和研究内容
• 参考文献
• 第2章 纳米羟基磷灰石的制备与结构表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 纳米羟基磷灰石的制备
• 2.2.2 样品测试与分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 XRD分析
• 2.3.2 FT-IR分析
• 2.3.3 TEM分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第3章 聚乙烯醇凝胶的制备与性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 聚乙烯醇凝胶的制备
• 3.2.2 结构表征
• 3.2.3 性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 凝胶的显微形貌
• 3.3.2 凝胶的热分析
• 3.3.3 凝胶的溶胀特性
• 3.3.4 凝胶的摩擦学性能
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第4章 n-HA/PVA凝胶复合材料的制备及结构表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 n-HA/PVA凝胶复合材料的制备
• 4.2.2 结构表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 XRD衍射分析
• 4.3.2 FT-IR分析
• 4.3.3 复合材料显微形貌
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 n-HA/PVA凝胶复合材料拉伸和压缩力学性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 试样制备
• 5.2.2 拉伸力学性能试验
• 5.2.3 压缩力学性能试验
• 5.2.4 循环加载-卸载试验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 复合材料应力-应变特性
• 5.3.2 复合材料强度
• 5.3.3 复合材料模量
• 5.3.4 循环加载-卸载滞后性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第6章 n-HA/PVA凝胶复合材料的应力松弛特性
• 6.1 引言
• 6.2 实验内容
• 6.2.1 样品制备
• 6.2.2 应力松弛实验
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 力学模型
• 6.3.2 复合材料松弛特性
• 6.3.3 复合材料松弛机理
• 6.3.4 复合材料松弛力学模型
• 6.3.5 复合材料松弛特性的影响因素
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第7章 n-HA/PVA凝胶复合材料动态力学性能
• 7.1 引言
• 7.2 复合材料粘弹性实验
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 测试频率的影响
• 7.3.2 HA含量的影响
• 7.3.3 PVA浓度的影响
• 7.3.4 循环次数的影响
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第8章 n-HA/PVA凝胶复合材料生物摩擦学性能
• 8.1 引言
• 8.2 实验过程
• 8.2.1 试样的制备
• 8.2.2 摩擦实验
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 摩擦系数随时间的变化规律
• 8.3.2 n-HA含量的影响
• 8.3.3 载荷的影响
• 8.3.4 球头直径的影响
• 8.3.5 滑动速度的影响
• 8.3.6 润滑条件的影响
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 第9章 结束语
• 9.1 论文结论
• 9.2 论文创新点
• 9.3 工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和在审的论文