纳米羟基磷灰石基复合三维多孔支架材料的构建及其性能研究

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纳米羟基磷灰石(nHAp)是人体骨组织的主要无机成分,具有远高于普通羟基磷灰石的比表面积、生物活性与生物相容性,是一种良好的骨填充及修复材料。但单一的nHAp粉末在使用的过程中往往存在着不易塑形、力学性能差等问题。为了解决这一问题,将nHAp与其它具有良好生物相容性的材料进行复合成为了近几年的研究热点。石墨烯(RGO)与壳聚糖(CS)均具有良好的生物相容性,且成型性能好,在骨修复及骨组织工程支架材料领域具有广阔的应用前景。将nHAp与RGO或CS复合,可以充分发挥两种材料的优势,有望制备出性能优异的生物材料。本文通过共沉淀的方法制备了分散均匀的nHAp胶体溶液,重点研究了柠檬酸钠对纳米羟基磷灰石的分散性能、形貌以及粒径的影响。采用水热反应法制备了nHAp/RGO三维复合多孔支架,重点研究了氧化石墨烯浓度与nHAp含量对n HAp/RGO复合支架形貌、强度以及表面积的影响。采用共混-冷冻干燥法制备了nHAp/CS复合三维多孔支架,并重点研究了nHAp含量对复合支架形貌、孔隙率、溶胀比、力学性能、降解性能等的影响。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱分析(FTIR)、粒度分析、比表面积测定仪、动态机械分析等表征测试方法对样品的形貌、相组成、粒度、表面积以及力学性能等进行表征与测试。以Ca(OH)2-H3PO4为反应体系,以柠檬酸钠为添加剂,通过共沉淀法成功制备了分散均匀且稳定的颗粒平均粒径为40 nm的nHAp胶体溶液,柠檬酸钠添加剂能够明显改善nHAp颗粒的分散性及结晶度。以氧化石墨烯(GO)与nHAp胶体溶液为反应原料,以氨水为调节剂,在弱碱性条件下成功制备了不含化学还原剂与交联剂且具有良好结合性能与较大表面积的nHAp/RGO复合三维多孔水凝胶支架。nHAp含量相同的情况下,nHAp/RGO复合支架的强度随着GO浓度的增加而增大。nHAp对RGO的抗压强度起到显著增强的作用,4 mg/mL的GO制备出的nHAp/RGO复合支架能够承受较大的压力而不发生明显形变,其抗压强度远高于纯RGO支架且随着nHAp含量的增加而增强。以壳聚糖-乙酸溶液与nHAp胶体溶液为原料,采用共混-冷冻干燥的方法成功制备了具有较高孔隙率与较好溶胀性的海绵状nHAp/CS复合三维多孔支架。nHAp/CS复合支架具有很好的抗压性能,nHAp/CS复合支架的杨氏模量最高达37.26±1.00 kPa,是纯CS支架(15.96±0.35 kPa)的两倍以上。nHAp/CS复合支架在SBF中浸泡21 d后发生了部分降解,但仍然可以保持其三维多孔的支架结构,且样品表面有较多新磷灰石生成。MC3T3-E1细胞在复合多孔支架中呈现出良好的生长形态,nHAp的加入不仅可以明显提高细胞在支架上的粘附与增殖,还可以显著促进细胞的碱性磷酸酶分泌,提高成骨细胞的分化能力。
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