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PAN基碳纳米纤维杂化复合材料及其生物特性研究

刘海洋  
【摘要】: 碳纳米纤维(Carbon nanofiber)由于其优异的机械强度、化学稳定性、高的长径比以及易于表面官能化等性能逐渐成为研究的热点。通过静电纺丝-碳化法制备的碳纳米纤维材料还具有与细胞外基质的形态结构相似、无金属催化剂杂质、具有大的比表面积和高孔隙率等特点,被认为在生物医学领域有潜在的应用前景。然而,碳纳米纤维是生物惰性材料,在骨组织修复的过程中,为了使碳纳米纤维支架材料更好的与创伤部位结合,其与其他的生物材料的复合是一种有效的方法。本文利用静电纺丝、溶胶-凝胶以及原位烧结相结合的方法制备了PAN基碳纳米纤维杂化生物复合材料。通过对复合纳米纤维材料的组分、相结构、细胞毒性、细胞相容性以及生物活性等方面的研究,系统地评价这类新型生物材料用于引导骨再生膜/支架材料的可行性和优越性。 本文首先优化了PAN平行纳米纤维的静电纺丝制备工艺,不仅使PAN纳米纤维的直径分布明显变窄,而且还改善了PAN静电纺丝过程的稳定性。经过热牵伸处理后,PAN平行纳米纤维膜的纤维直径减小,纤维间隙变小,平均拉伸强度达到了302 MPa。其次,β-磷酸三钙(β-TCP)是一种可降解的骨修复生物陶瓷材料,其在骨组织修复中能够提供骨再生所必需的钙离子和磷酸根离子。本文以溶胶-凝胶技术为基础,磷酸三乙酯(TEP)和硝酸钙(CN)为磷源和钙源,通过控制水解体系pH值、调整催化剂和溶胶烧结温度,获得了制备高纯度和高结晶度的β-TCP凝胶的工艺。第三,以掺杂了TEP和CN形成的溶胶(TEP-CN)的PAN溶液为纺丝液,用优化的PAN静电纺丝的工艺得到PAN/TEP-CN复合纳米纤维,结合高纯度β-TCP凝胶的制备条件,对该复合纳米纤维进行热牵伸、预氧化和高温碳化烧结,制备了一种由β-TCP提供生物功能和碳纳米纤维提供结构特性的复合纳米纤维。并讨论了负载不同溶胶量对复合纳米纤维微观形貌、生物特性的影响。 研究发现:低溶胶量负载得到的β-TCP@碳纳米纤维,β-TCP纳米颗粒为20-30 nm,主要位于碳纳米纤维的表面;而高溶胶量负载得到的β-TCP@碳纳米纤维,纤维表面比较光滑,通过(透射电子显微镜)TEM分析得知β-TCP纳米颗粒主要位于碳纳米纤维的内部,且粒径较大,与碳纳米纤维共同形成了类似竹节状的结构。通过对高溶胶量负载的β-TCP@碳纳米纤维进行加速降解研究得知:这种类似竹节状的结构可以通过β-TCP纳米颗粒的溶解而使连续的碳纳米纤维的长径比大大缩短。 对上述制备的复合纳米纤维材料进行了MTT细胞毒性试验和人牙周膜细胞(hPDLCs)的体外复合培养等生物相容性检测。MTT检测结果显示所制得的材料细胞相容性良好,没有明显毒性。用激光共聚焦显微镜观察hPDLCs在纳米纤维材料上的铺展和生长情况显示,hPDLCs在β-TCP@碳纳米纤维材料上完全铺展开来,并且细胞沿平行纤维方向生长。扫描电镜结果(SEM)显示,细胞与材料结合紧密,分泌大量的细胞外基质,生长状态良好。 生物活性玻璃(Bioglass)是目前所知唯一可以同时与硬组织和软组织结合良好的骨修复材料。本文以正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源、TEP和CN为磷源和钙源、PAN为基体,利用前述优化的制备工艺,将生物活性玻璃纳米颗粒原位掺杂进入碳纳米纤维制得Bioglass@碳纳米纤维。SEM结果显示该复合纤维的平均直径为360nm,其表面负载的Bioglass纳米颗粒的粒径约为20 nm。 对所制备的Bioglass@碳纳米纤维进行了生物活性检测。通过XRD、FTIR、EDX等分析方法对复合纳米纤维在5倍模拟人体体液(5SBF)内生物矿化后的微观形貌和结构进行了表征。6小时矿化后,碳纳米纤维表面的Bioglass纳米颗粒表面有粒状产物隆起,并且随着矿化时间的延长逐渐长大,12-18 h后有些区域产物进一步聚合成球形晶簇。矿化24 h后,球形产物增多并连成片。矿化30 h后,矿化层增厚,厚度达600 nm以上,覆盖整个复合纳米纤维表面。测试结果表明得到的花状结晶为碳酸羟基磷灰石。 综上所述,由静电纺丝-溶胶凝胶-后烧结相结合的方法所制得的PAN基碳纳米纤维复合材料支架具有良好的生物相容性和结构适用性,具有用于临床的引导组织/骨再生治疗的潜能,有望成为新一代纳米复合生物材料。


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