完整版电纺明胶壳聚糖羟基磷灰石氧化石墨烯复合膜的制备及性能研究毕业设计Word格式.docx

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1.1.4生物材料的一般性能要求2

1.1.5生物材料对人体的影响2

1.2骨修复材料3

1.2.1明胶3

1.2.2壳聚糖4

1.2.3羟基磷灰石4

1.2.4氧化石墨烯4

1.3静电纺丝技术5

1.4本实验研究的目的和内容6

1.4.1研究目的6

1.4.2研究内容6

2.实验部分7

2.1材料与试剂7

2.2实验仪器7

2.3实验内容8

2.3.1电纺GE/CS/HA/GO四元复合纤维8

2.3.2四元复合纤维样品的分析和表征8

3.结果与讨论10

3.1GO浓度对复合纤维形貌的影响10

3.2图案化四元复合纤维的结构表征11

3.3四元复合纤维对BSA的吸附13

3.3.1BSA溶液的pH对吸附的影响13

3.3.2不同初始浓度的BSA溶液对吸附的影响14

3.4四元复合纤维的力学性能测试16

4.结论17

参考文献18

致谢19

摘要：

近年来生物材料发展迅猛，尤其在骨修复材料方面。

这得益于骨修复材料能直接或间接治疗疾病或辅助修复损伤的骨骼的功能，同时具有优良的生物相容性和可降解性，以及优异的机械强度和抗菌性。

这既可以优化治疗骨病的方案，降低治疗或手术的风险，而且植入后随人体代谢而降解，免去二次手术。

而利用静电纺丝技术制备出的骨修复材料具有较高的比表面积和孔隙率，这非常利于人体成骨细胞的粘附、生长、分化，促进骨的修复。

人体骨具有一定的微结构，所以本文利用电纺纤维技术，制备具有微结构的复合纤维，使其更利于发挥其功能。

因此，本文采用静电纺丝技术和图案化模板来制备GE/CS/HA/GO四元复合纤维膜骨修复材料。

并探讨GE/CS/HA/GO四元复合纤维的电纺条件和最佳参数，并对其表征和性能进行研究。

研究内容包括以下几个部分：

（1）在GE/CS/HA三元体系的最优实验条件基础上探索制备GE/CS/HA/GO四元复合纤维时GO的最优浓度。

结果表明：

通过电镜和光镜观察其形貌得出当GO浓度为0.050%和模板为200目筛网时，其表面纤维排布有序、粗细均匀、无珠状物和液滴。

表现出较好的形貌。

（2）当材料植入人体内，为保证细胞所需的营养物质供给，利于骨缺损处的修复，复合材料需要对蛋白质有一定的吸附。

将最优条件下制备的四元复合纤维在模拟体液环境下，考察其对牛血清蛋白的吸附量。

GE/CS/HA/GO四元复合纤维对BSA的饱和吸附量在0.050mg·

mL-1左右。

随着BSA溶液的pH值的增加，无序纤维表面和微结构纤维表面对BSA的吸附顺序相似，但由于吸附蛋白的有效面积不同，导致材料表面对BSA的最大吸附量的pH值略有差别。

BSA的初始浓度越大，纤维的初始吸附量越大，但都是在20min后达到平衡。

（3）复合纤维膜在植入人体后，会受到来自其周边的组织、器官的摩擦挤压等情况。

因此，优良的复合纤维膜需要优异的力学性能才能发挥其最大的功能。

将无序化和图案化GE/CS/HA/GO四元复合纤维进行拉伸强度测试，并与GE/CS/HA三元复合纤维进行对比。

四元复合纤维明显高于三元复合纤维，这是由于在四元系统中加入GO，改善了纤维界面的粘接质量，从而提高了拉伸强度。

而图案化GE/CS/HA/GO四元复合纤维拉升强度达到了1.71MPa。

由于微结构复合纤维的各项异性，微结构纤维膜的拉伸强度大于无序纤维的拉伸强度。

因此，该复合纤维材料表现出良好的机械强度。

以上研究结果表明，本论文成功制备出GE/CS/HA/GO四元复合纤维，并分析表征其空间分布和排列方式，提升了复合纤维的机械强度和抗菌性。

有望使骨修复材料在临床医学领域发挥出重要作用。

关键字：

氧化石墨烯；

图案化纤维；

复合材料；

蛋白吸附；

力学性能

Abstract:

Inrecentyears,therapiddevelopmentofbiologicalmaterials,especiallyinbonerepairmaterials.Thankstothebonerepairmaterialcandirectlyorindirectlytreatdiseaseorauxiliaryrepairdamagedbones,butalsohasexcellentcompatibilityandbiodegradabilityoftheorganism,andexcellentmechanicalstrengthandantibacterialproperty.Thisschemecanoptimizethetreatmentofbonedisease,reducetheriskoftreatmentoroperation,andafterimplantationwithhumanmetabolismanddegradation,theoperationtimenecessarytoremovetwo.Thebonerepairmaterialpreparedbyelectrospinninghashighspecificsurfaceareaandporosity,whichisverybeneficialtohumanbonecellgrowth,adhesion,differentiation,promotebonerepair.Butthereisacertainhumanbonestructure,sotheuseofmicropatterntemplateofelectrospunfibers,thecompositefiberhasacertainstructure,moreconducivetoplaythefunctionof.Therefore,thepreparationofGE/CS/HA/GOfourcompositefiberscaffoldsforbonerepairmaterialsbyelectrospinningtechniqueandpatternedtemplates.AndtoexplorethefourelementcompositefiberGE/CS/HA/GOelectrospinningconditionsandthebestparameters.Thecharacterizationofitsmorphologyandproperties.Theresearchcontentincludesthefollowingparts:

（1）toexploretheoptimalconcentrationofGO,thepreparationoffourelementcompositefiberGE/CS/HA/GOunderoptimalconditionsbasedonGE/CS/HAthreesystemresultsshowthat:

bylightandelectronmicroscopywereobtainedwhentheGOconcentrationis0.050%andthetemplateforthe200mesh,thesurfaceoffiberarrangedorderly,uniformthickness,nobeadanddrop.Bettermorphology.

（2）whenthematerialsimplantedinthehumanbody,inordertoensurethesupplyofnutrientsrequiredforcellstorepair,bonedefect,compositematerialshaveacertainadsorptiononprotein.Theadsorptionamountoffourelementcompositefiberwillbepreparedattheoptimalconditionsofthebovineserumalbumininhumanbodyfluidenvironment.Theresultsshowthat:

thesaturatedadsorptionamountoffouryuanofGE/CS/HA/GOcompositefiberBSAin0.050%.WiththeincreaseofBSAandthepHvalueofthesolution,theadsorptionorderdisorderedfibersurfaceandmicrostructureofBSAfibersurfaceissimilar,buttheeffectiveareaoftheproteinadsorptionisdifferent,resultinginthemaximumadsorptioncapacityofBSAonthesurfaceofthematerialpHvalueisslightlydifferent.TheinitialconcentrationofBSA,theinitialadsorptionamountoffiberislarger,butitistoachievebalancein20min.

（3）compositefibrousscaffoldafterimplantationinthehumanbody,suchasfrictionextrusionbythesurroundingtissue,organ.Therefore,theneedtofinefibrousscaffoldswithexcellentmechanicalpropertiesandmaximizeitsfunction.ThefourelementcompositefiberdisorderingandpatternedGE/CS/HA/GOtensilestrengthtest,andcomparedwiththethreeelementcompositefiberGE/CS/HA.Theresultsshowedthat:

fouryuanthreeyuanwassignificantlyhigherthanthatofcompositefibercompositefiber,thisisduetotheadditionofGOinthefourelementsystem,improvethequalityoffiberbondinginterface,whichimprovesthetensilestrengthof.ThefourelementcompositefiberpatterningofGE/CS/HA/GOtensilestrengthreached1.71MPa.Duetotheanisotropicmicrostructureofcompositefibers,thetensilestrengthofthetensilestrengthofthemicrostructurefibermembraneisgreaterthanthatofdisorderedfiber.Therefore,thecompositesexhibitgoodmechanicalstrength.

Theaboveresearchresultsindicatethat,thispapersuccessfullypreparedGE/CS/HA/GOfourelementcompositefiber,andtocharacterizethespatialdistributionandarrangement,enhancetheantibacterialpropertiesandmechanicalstrengthofthecompositefiber.Isexpectedtomakethebonerepairmaterialsplayanimportantroleinthefieldofclinicalmedicine.

Keywords:

grapheneoxide;

patternedfiber;

compositematerials;

proteinadsorption;

mechanicalproperties

1绪论

1.1生物材料概述

生物材料是直接或间接作用于人体，修复治疗人体组织、器官和骨骼等一类高科技材料。

其构成多种多样，可以是无机材料或有机高分子材料，亦或是复合材料。

其特点具有良好的生物相容性、生物降解性及优异的机械强度、抗菌性等。

因此，具有广大的发展空间，近年来其发展速度迅猛。

1.1.1生物材料的定义

生物材料是一类用于人体骨骼、组织和器官的诊断、修复或增进其功能的高科技材料，其功能直接作用于需治疗部位，其作用药物是不可替代的。

可分为天然生物材料和人造生物材料。

生物材料能直接或间接治疗疾病或辅助修复损伤的骨骼，而不能恢复缺陷部位。

1.1.2生物材料的发展概况

生物材料应用生物学和人体工程学的原理，对生物材料定向的制备具有特定需要功能的生物技术。

生物工程学从上世纪70年代初发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等。

发展到90年代，生物材料技术发展迅猛，在当时全球经济危机的大背景下，生物材料却每年保持着13%的增长，这充分体现了生物材料具有广阔的发展空间和需求市场。

将生物材料真正的应用于现代医学领域是未来的一个必然发展趋势，传统的无机医用金属、高分子、生物陶瓷等材料已不能满足现代医学发展的要求，实际上，生物材料用于现代医学领域已经有一些成果，例如：

定向药物释放，微创治疗等等。

当前，我国生物材料学基础研究有了重大发现和进展，但生物材料的产业化水平较低，产业规模小，还不能满足我国医疗保健的实际需求。

因此国家实施了一系列政策和经济支持，刺激其产业化发展速度，增强我国生物材料的自主创新能力，减少进口需求并加大出口力度，扩大中国生物材料在国际上的影响力。

1.1.3生物材料的分类

生物材料品种多样，应用广泛，其分类方法也有多种。

（1）按材料的属性可分为：

a.医用生物金属材料；

b.医用生物无机非金属材料；

c.医用生物高分子材料；

d.医用生物复合材料；

e.生物衍生材料

（2）按材料的功能可分为：

a.硬组织相容性材料；

b.软组织相容性材料；

c.血液相容性材料；

d.生物降解材料；

e.高分子药物多肽、人工合成疫苗等

（3）按材料的特性可分为：

a.生物活性材料；

b.生物惰性材料；

c.生物降解材料

（4）按材料的来源可分为：

a.自体材料；

b.同种异体器官及组织；

c.异体器官及组织；

d.天然生物材料；

e.人工合成材料

1.1.4生物材料的一般性能要求

（1）生物相容性

生物相容性指生物材料在进入人体内后不引起排斥反应。

主要有血液相容性，不能引起凝血、溶血等不良排斥反应，组织相容性，不能引起组织炎症、排拒等不良排斥反应。

（2）力学性能

生物材料在人体内会经历周边组织带来的挤压、摩擦、冲击等情况，因此，生物材料必须具有一定的机械强度才能满足其功能需求。

（3）耐老化可降解

生物材料在人体内有的只有几小时或几天，有的可长达几年甚至十几年，短时间内其作用完成后应在人体内自行降解，而长时间则需要其具有很强的稳定性，能够在人体内长期发挥作用。

（4）制作加工简便

生物材料在优异的治疗、修复和增进的功能下，还应容易制作和加工，且价格适中，适合大批量的工业化生产。

1.1.5生物材料对人体的影响

生物材料植入人体内后，可能对人体会产生不适反应。

主要有局部的组织反应和全身的免疫反应。

（1）局部组织反应

①排异反应：

指人体内植入异物，会在其周围发生不同程度的炎症反应。

人体不会很快代谢生物材料，就会在其周围形成包囊，将生物材料与组织分隔开，随后包囊会纤维化且不断增厚，最终钙化变硬，引起局部持续性感染。

②钙化：

生物材料表面钙化导致其丧失功能。

这既有材料本身的原因，也有机体的原因。

例如：

材料的性质、材料的机械运动、局部营养不良、死亡细胞的沉积等。

③感染：

生物材料植入人体内引起感染是最常见的。

其原因有材料的污染或材料本身易导致感染。

因此，植入时应严格消毒灭菌，避免植入失败。

④血液反应：

若生物材料植入人体会干涉人体循环系统或与血液接触就易出现血栓。

⑤肿瘤：

生物材料的致癌尽管临床极少见，但在动物实验中却屡见不鲜。

可能由于致癌物质在生物材料上的聚集或包囊的突变。

因此生物材料不要使用刺激性强，有毒可溶物质，尽可能使其表面粗糙，减少与组织的间隙。

（2）全身免疫反应

生物材料植入人体可能会引起全身性免疫反应，包括体液免疫反应和细胞免疫反应。

常见于人工血管材料等于血液有直接接触的生物材料。

临床上表现出过敏反应、感染、恶性肿瘤的发生、软组织钙化或纤维化，尤其是肺的纤维化、动脉硬化等。

1.2骨修复材料

将生物材料用于人体骨修复领域中，是近年来一个研究热点。

骨修复支架材料根据靶向释放原理，利用生物材料携带促进骨生长的基因定向到达骨缺损位置，并且缓慢释放促进骨组织的再生，可以提高骨修复的效果[1]。

本研究所使用的材料有明胶、壳聚糖、羟基磷灰石、氧化石墨烯。

它们用于生物材料具有其他材料没有的优点，但也存在一些缺点。

1.2.1明胶

明胶（Gelatin，GE）是以动物的皮和骨骼为原料，经过加工制成的一种无味，半透明黄色的颗粒、薄片或粉末。

明胶的主要成分是多肽分子混合物，分子量可达几万至十几万。

明胶是一种两性物质。

等电点在6~8左右（A型），当pH<

等电点，明胶带正电荷，向电场阴极移动，具有酸性。

当pH>

等电点，明胶带负电荷，向电场阳极移动，具有碱性。

明胶分子结构上有大量的羟基、羧基和氨基，所以明胶具有极强的亲水性。

明胶在日常生活，生产制造方面有广泛应用：

1.食用明胶广泛用于糖果、罐头、皮冻等食品方面。

2.药用明胶常常作为软硬胶囊、片剂糖衣等。

3.照相明胶还广泛用于生产胶片、胶卷、医用X光夹片等。

4.工业明胶则在印刷、印染、纺织、国防、航空、电子等各个领域发挥重大作用。

1.2.2壳聚糖

壳聚糖（Chitosan，CS）又名脱乙酰甲壳素，是由几丁质脱乙酰作用得到的，分子式：

（C6H11NO4）N，单元体的分子量为161.2，其结构如图1-1所示。

图1-1壳聚糖结构图

壳聚糖大分子中有活泼的羟基和氨基，具有很强的化学反应能力。

能发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、磺化、硝化、卤化、缩合和络合等化学反应，可生成许多具有不同性能的衍生物，扩大了壳聚糖的应用范围。

壳聚糖具有许多生理活性，如：

1.控制胆固醇，2.抑制细菌活性，3.预防和控制高血压，4.吸附和排泄重金属，5.免疫作用。

因此，壳聚糖具有广泛的应用，如：

1.生产化妆品，2.生产絮凝剂，3.生产饲料饵料，4.生产吸附剂。

1.2.3羟基磷灰石

羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）[Ca10（PO4）6（OH）2]是生物体骨骼和牙齿的主要无机成分，具有优良的生物相容性。

其植入人体后，钙和磷会游离出材料表面被身体吸收并生长出新的组织。

有研究证明羟基磷灰石的晶粒越细，其生物相容性越高。

因此，羟基磷灰石常常用于生物材料的原料。

1.2.4氧化石墨烯

氧化石墨烯（GrapheneOxide，GO）是石墨烯的氧化物，有粉末状、片状或溶液状。

其结构如图1-2所示，它具有两亲性，从其边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。

因此，氧化石墨烯可以降低其存在界面间的能量。

氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有很高的比表面积和其表面有丰富的官能团。

此外，GO还有抗菌性[2]，可被用来防止外部伤口的感染[3]。

因此，氧化石墨烯用于生物复合材料的制备更是具有广泛的应用领域。

图1-2氧化石墨烯结构图

1.3静电纺丝技术

静电纺丝技术如图1-3，它是将聚合物溶液运送至电纺箱中针头处，产生液滴，在电场的作用下形成泰勒锥，从尖端延展出纤维细丝，接收至下端的接收板上，形成纳米级的纤维膜。

影响电纺出纤维膜的因素有以下几点：

（1）聚合物的分子量和分子结构等、

（2）溶液的浓度、粘度等[4]、（3）电纺时电压的大小、（4）针头与接收板之间的距离、（5）电纺箱中的温度、湿度等、（6）针头的形状。

利用静电纺丝技术可以制备出具有良好生物相容性和可降解性，以及较大的比表面积和孔隙率的生物材料[5,6]。

因此，本实验将采用静电纺丝技术制备四元复合纤维。

图1-3静电纺丝技术原理图

1.4本实验的研究目的和内容

1.4.1研究目的

随着生物材料的发展，生物材料的制备从适应生物环境向制备具有特殊功能的生物复合材料。

近年来，制备出许多二元，甚至三元复合材料，它们具有其他材料所不具备的优点及特殊功能，但在材料的机械强度、抗菌性等方面存在一些缺陷。

因此，本研究采用静电纺丝技术制备GE/CS/HA/GO四元复合纤维材料。

在GE/CS/HA三元复合纤维体系中加入GO，将会提升复合纤维的机械强度和抗菌性。

这也是本研究的创新点和出发点。

1.4.2研究内容

采用静电纺丝技术制备出GE/CS/HA/GO四元复合纤维材料。

（1）人体骨是有一定的结构，所以利用微图案模板电纺纤维，会使复合纤维具有一定结构，更利于发挥其功能[7]。

在GE/CS/HA三元体系的最优条件基础上制备GE/CS/HA/GO四元复合纤维，利用光学显微镜和扫描