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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

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摘要

符号说明

第1章 绪论

1.1 碳纳米纤维(Carbon Nano-fibet)及其制备方法

1.1.1 碳纳米纤维

1.1.2 碳纳米纤维生物领域的应用

1.1.3 静电纺丝技术制碳纳米纤维

1.2 生物活性玻璃(Bioglass)及其制备方法

1.2.1 生物活性玻璃

1.2.2 制备生物活性玻璃的方法

1.2.3 溶胶凝胶法制备生物玻璃的影响因素

1.3 Bioglass@CNF复合材料及其在生物领域的应用

1.3.1 Bioglass@CNF复合材料

1.3.2 Bioglass@CNF复合材料在生物领域的应用

1.4 生物矿化及细胞培养

1.4.1 生物矿化

1.4.2 细胞培养

1.5 本课题的目的与意义

第2章 前驱体陈化时间对Bioglass@CNF的结晶与生物学性能的影响

第2.1节 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品与试剂

2.2.2 实验仪器与设备

2.2.3 材料的制备

2.2.4 材料的表征与分析

2.3节 实验结果与讨论

2.3.1 不同陈化时间Bioglass结构变化趋势

2.3.2 不同陈化时间Bioglass@CNF的结晶行为分析

2.3.3 Bioglass@CNF随陈化时间变化的机理分析

2.3.4 不同陈化时间Bioglass@CNF的生物矿化性能分析

2.4 本章小结

第3章 前驱体钙磷比对Bioglass@CNF结晶与生物学性能的影响

第3.1节 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品与试剂

3.2.2 实验仪器与设备

3.2.3 实验方法

3.2.4 测试与表征

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 不同钙磷比Bioglass@CNF形貌观察

3.3.2 不同钙磷比Bioglass@CNF结晶变化趋势

3.3.3 不同钙磷比Bloglass@CNF的生物矿化性能分析

3.3.4 不同钙磷比Bioglass@CNF的细胞相容性评价

3.4 本章小结

第4章 结论

参考文献

致谢

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摘要

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。

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