壳聚糖/羟基磷灰石仿生骨材料的研究

35亿年的生命演化过程优化了生物体的宏观与微观结构、形态和功能,是取之不竭的知识宝库。仿生就是学习和研究自然界生物的内在规律,并从中获得解决问题的方法。骨是由有序排列的胶原纤维和取向的纳米羟基磷灰石形成的有生命的复合材料,骨材料的复杂多级结构使其既具有羟基磷灰石的强度和硬度,又具有胶原的韧性。本文在详细分析骨组成、结构以及力学性能基础上提出以骨的组成和结构为模型,选择具有优异生物相容性和生物活性的壳聚糖与羟基磷灰石复合体系为研究对象,采用不同方法制备壳聚糖/羟基磷灰石仿生骨材料,并以骨材料为参照物研究壳聚糖/羟基磷灰石复合材料的微结构与性能之间的相关规律。 1.原位沉析法制备壳聚糖/磷酸三钙和壳聚糖/羟基磷灰石复合材料采用原位沉析法制备了壳聚糖/磷酸三钙(CS/TCP)和壳聚糖/羟基磷灰石(CS/HA)复合材料,力学性能结果表明随着TCP(或HA)含量增加,复合材料的弯曲、剪切强度和吸水率均降低,而相应模量有所升高;并发现采用戊二醛交联—无机颗粒填充协同增强技术可使复合材料弯曲强度提高50%-60%。 2.原位杂化法制备壳聚糖/羟基磷灰石纳米复合仿生材料原位杂化法的关键是采用预先沉积CS凝胶膜将含有HA前驱体的CS溶液与凝固液隔离。当pH值改变时,CS凝胶膜同时控制壳聚糖沉析与羟基磷灰石生成过程缓慢且有序地进行。通过XRD和TEM测试证实CS/HA复合材料中原位生成的羟基磷灰石颗粒长为100nm,宽30～50nm。扫描电镜测试结果表明复合材料具有层状结构;其弯曲强度为86MPa,比原位沉析法的高26%,比松质骨的高4倍。戊二醛交联—纳米HA填充协同增强技术可使复合材料弯曲强度达到102MPa,与未交联相比提高了19%,比原位沉析法制备CS/HA复合材料的高50%,可与自然骨材料性能相媲美。 3.原位杂化法制备壳聚糖/四氧化三铁纳米复合材料 在原位杂化法制备CS/HA复合材料中,纳米HA分布是无规的,而骨中羟基磷灰石是呈取向排列。在有外加磁场作用下通过原位杂化法制备了壳聚