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丝素/羟基磷灰石支架材料的结构特性和机械性能研究

张胡静  
【摘要】: 随着骨修复材料需求量的不断增大,开发人工骨修复材料成为当前研究的热点问题。羟基磷灰石与人类骨骼有相似的组成,能刺激骨细胞在其表面生长,植入后能被受体的骨细胞不断代替。单纯羟基磷灰石支架脆性大、机械性能较差,不利于用作骨的修复材料。丝素由18种氨基酸组成,相互排列成线性结构,具有良好的生物相容性和生物降解性。丝素/羟基磷灰石复合材料在保持原有材料优势的基础上提高材料的力学性能,实现优势互补,有望用作人工骨修复材料的开发。 本研究以丝素和羟基磷灰石为基材,磷酸盐缓冲液为溶剂,戊二醛为交联剂,通过调节复合材料中丝素、羟基磷灰石的含量比,探索丝素/羟基磷灰石多孔支架的制备工艺,利用红外光谱仪、X衍射分析仪、扫描电镜、万能试验机测定分析支架的物理化学结构和力学性能。结果表明,丝素/羟基磷灰石复合材料具有结晶结构和β构象。当丝素与羟基磷灰石的比例为6/4时,支架材料的弹性模量和压缩强度达到最大值,分别为48.087MPa和1.44MPa,孔隙率为70%,支架孔径50-200gm。利用该方法制备获得的支架材料,机械性能有明显提高,与人体松质骨的结构接近。 为进一步优化制备工艺,提高材料的力学性能,研究中尝试调整丝素/羟基磷灰石支架制备过程中的反应温度、干燥时间、制孔剂、戊二醛、甲醇添加比例以及材料固化时间、溶剂pH值、浓度等因素,检测分析以上条件对材料成型效果及机械性能的影响。结果表明:浓度和温度是影响材料机械性能的重要因素。当固液比例为1:1时能达到最佳共混效果,支架弹性模量能达到74.98MPa,超过人体松质骨弹性模量理论要求。温度条件为40℃,湿度100%,制得材料的力学性能相对其他温度更佳,为材料直接在人体体内成型的研究奠定基础。交联剂戊二醛添加比例不断增加与材料的弹性模量也表现为上升趋势,但添加比例过大会增加材料的毒性,实际制备中应保证机械性能的条件下降低戊二醛含量。2%的甲醇含量将使材料弹性模量得到最大程度提高。其中,孔隙率的提高将以降低材料机械性能为代价,制孔剂含量增加使支架的力学性能成下降,可根据实际需要制备得到不同孔隙率的支架材料。为延长材料的存放时间,可通过冷冻干燥降低材料的含水率,干燥时间为8h支架获得最佳弹性模量。其他条件对支架弹性模量的影响不大,可根据实际需要进行适当调整。


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