羥基磷灰石對軟骨修復(fù)水凝膠物理化學(xué)性質(zhì)的影響.pdf

1、水凝膠是一種通過物理或者化學(xué)交聯(lián)具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、在水中可以溶脹的親水性聚合物材料。組織工程體外模擬實(shí)驗(yàn)顯示出聚乙烯醇(PVA)及其復(fù)合水凝膠具有與天然軟骨相類似的溶脹、力學(xué)性能以及潤滑性能，這些仿生性能可以為細(xì)胞的增殖和分化提供更接近人類天然軟骨的細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境，為其成為組織工程軟骨修復(fù)材料提供了很大的可能性。但是，它們還存在與周圍組織不能夠很好的融合、生物相容性不夠好、成膠不可控等缺點(diǎn)而限制其應(yīng)用。羥基磷灰石（Ca10(PO4)6

2、(OH)2, Hydroxyapatite, HA）具有骨誘導(dǎo)性、無毒、非炎性、非免疫性，可以和周圍組織表面直接形成化學(xué)鍵而具有很好的生物活性和相容性，因此是一種理想的改善復(fù)合材料性能的無機(jī)材料。海藻酸鈉有可能使成膠可控，形成注射型水凝膠。本文針對HA的優(yōu)點(diǎn)對PVA復(fù)合水凝膠進(jìn)行改性，系統(tǒng)的測定了其物理化學(xué)性質(zhì)。并初步研究了SA/HA水凝膠的制備及物理化學(xué)性質(zhì)。其目的是，探索HA對PVA復(fù)合水凝膠性質(zhì)的影響，探索可注射水凝膠的研發(fā)，為軟

3、骨修復(fù)水凝膠的研發(fā)和改性提供有參考價值的信息。本論文的研究工作主要包括以下三個方面：
　　1.分別采用直接共混合和原位合成的方法得到聚乙烯醇(PVA)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/羥基磷灰石(HA)混合溶液，然后采用循環(huán)冷凍-解凍物理交聯(lián)的方法得到PVA/PVP/HA復(fù)合水凝膠。通過XRD和FT-IR進(jìn)行晶型和結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示HA和 PVA/PVP基體之間沒有晶型干擾，但紅外偏移說明兩者之間有較強(qiáng)的分子間相互作用。用SEM和TEM

4、觀察水凝膠的微觀形貌，結(jié)果顯示采用原位法合成的復(fù)合水凝膠中羥基磷灰石比直接混合方法具有更好的分散效果；與水環(huán)境相比，PVA溶液可起到分散劑的作用，提高HA的分散性，在一定程度上降低HA粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象；HA的加入使得復(fù)合凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的孔徑變小，孔洞結(jié)構(gòu)變得更加緊密。用流變儀在頻率掃描下測定儲能模量和損耗模量的變化情況，結(jié)果顯示儲能模量和損耗模量隨HA的含量增加均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，當(dāng)HA的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3.0％時，儲能模量和損

5、耗模量均有最大值，此時力學(xué)性能最好。測定干凝膠的溶脹行為，結(jié)果顯示干凝膠溶脹平衡后的含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于干燥前水凝膠的含水量；溶脹平衡時的含水量和溶脹速率常數(shù)隨HA的增加而減小；介質(zhì)環(huán)境對溶脹平衡時的含水量和溶脹速率常數(shù)有一定的影響，但HA對溶脹的介質(zhì)效應(yīng)影響不大。通過DSC測定水凝膠的失水動力學(xué)和干凝膠的熔融焓進(jìn)而計算失水活化能和結(jié)晶度，結(jié)果顯示：HA的加入使得凝膠的結(jié)晶度下降，增加了復(fù)合水凝膠的失水活化能和水在凝膠中的擴(kuò)散活化能，說明HA

6、增加了水凝膠的保水性能。通過TGA測定干凝膠的失重情況，結(jié)果顯示出PVA/PVP/HA比PVA/PVP有更高的分解溫度，說明HA使凝膠結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。總之，HA的加入使得PVA/PVP/HA復(fù)合水凝膠孔徑減小，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密；增加儲能模量，提高力學(xué)性能；降低含水量、但對溶脹平衡時含水量及溶脹速率常數(shù)的影響不大；降低凝膠的結(jié)晶度，提高失水活化能和擴(kuò)散活化能，增加了水凝膠的保水性能。
　　2.采用循環(huán)冷凍解凍物理交聯(lián)的方法制備了聚乙烯醇

7、(PVA)/殼聚糖(CS)/羥基磷灰石(HA)復(fù)合水凝膠。通過 XRD和 FT-IR進(jìn)行晶型和結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示 HA與PVA/CS基體間無化學(xué)反應(yīng)、無晶型干擾，紅外圖譜的偏移說明兩者間有較強(qiáng)的分子間相互作用。用流變儀在頻率掃描下測定儲能模量和損耗模量的變化情況，結(jié)果顯示儲能模量和損耗模量隨HA的含量增加均呈現(xiàn)出先增加后不變的變化趨勢，當(dāng)HA的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3.0%時，儲能模量和損耗模量均有最大值，此時力學(xué)性能最好。通過SEM觀察水凝膠微

8、觀斷面形貌，結(jié)果顯示，HA的加入可以影響凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使孔洞數(shù)量增多、孔徑變小、結(jié)構(gòu)更加緊密，且隨著HA百分含量的增加這種影響越明顯。測定干凝膠的溶脹行為，結(jié)果顯示：干凝膠溶脹平衡時的含水量均隨HA的增加而減小，溶脹平衡后的含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于干燥前水凝膠的含水量；介質(zhì)中的溶質(zhì)對水凝膠的溶脹行為有影響，HA含量對水凝膠溶脹的介質(zhì)效應(yīng)有比較顯著的影響，與蒸餾水環(huán)境相比，HA使NaCl溶液和葡聚糖溶液中的溶脹平衡含水量和溶脹速率常數(shù)明顯降低。通

9、過 DSC測定水凝膠失水失水動力學(xué)，結(jié)果顯示：HA的加入增加了復(fù)合水凝膠的失水活化能和水的擴(kuò)散活化能，即增加了水凝膠的保水性能。總之，HA的加入使得PVA/CS/HA復(fù)合水凝膠孔徑減小，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密；增加儲能模量，提高力學(xué)性能；降低含水量，降低了溶脹平衡含水量及溶脹速率常數(shù)；提高失水活化能和水的擴(kuò)散活化能，增加了水凝膠的保水性能。
　　3.分別以羥基磷灰石(HA)/葡萄糖酸內(nèi)酯(GDL)作為Ca2+釋放體系，和以CaCl2溶液

10、作為離子交聯(lián)劑，采用原位釋放法和反滴定法制備了海藻酸鈉(SA)水凝膠。并初步研究了HA的質(zhì)量含量mHA和f[n(Ca2+)/n(GDL)]值對SA水凝膠含水量、成膠時間、流變性質(zhì)、失水動力學(xué)等理化性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示：HA/GDL作為Ca2+釋放體系形成的水凝膠均勻性更好，成膠時間和含水量隨著f值的增加而增加，隨著mHA值的增加而減少，當(dāng)(mHA=1.00g, f=2)時形成的SA水凝膠具有最高的儲能模量和損耗模量，力學(xué)性能最好，與Ca