摘 要

随着时代的进步，在二十一世纪，科学技术因人们的需求越来越趋向于环境友好、可再生、可生物降解等有利于可持续发展的方向发展。纤维素作为地球上含量最丰富的天然高分子材料，已经被广泛应用于各种领域的研究当中。羟基磷灰石是骨骼的主要成分，具有很高的生物活性。本论文利用纤维素的可再生性和良好的生物相容性，通过纳米纤维素与纳米羟基磷灰石复合，制造出性能良好的纳米纤维素/纳米羟基磷灰石有机-无机纳米复合薄膜。所制造出的薄膜进一步通过场发射电子显微镜（FESEM）、傅立叶变换红外线法（FT-IR）、紫外-可见光谱分析法(UV-vis)与拉力测试来研究其结构与性质。

结果显示纳米羟基磷灰石直径在30 nm左右，并且由于添加了纳米级羟基磷灰石，以该方法制造的薄膜分散较为均匀且物理特性稳定。最后通过两周的膜上细胞培养，观察到细胞在混合薄膜上生长良好；这也表明了该薄膜良好的生物相容性和安全性以及在仿生骨等生物医学应用方面的巨大潜力。

关键词：纳米纤维素；羟基磷灰石；纳米复合材料膜；结构性能；仿生骨

Abstract

In the 21st Century, science and technology have more and more turned toward the environment-friendly, renewable, and biodegradable fields because of the requirement of human. Cellulose, the world's most abundant natural polymer materials, has been widely used in various fields of research. Hydroxyapatite is the main component of bones and has a high biological activity. In this paper, nanocellulose/hydroxyapatite organic-inorganic nanocomposite films with excellent properties were prepared by the combination of nanocellulose and hydroxyapatite which utilized the renewability of cellulose and good biocompatibility. The obtained films were further characterized by field emission electron microscopy (FESEM), Fourier transform infrared (FT-IR), Ultraviolet–visible spectroscopy (UV-vis) and tensile tests.

The results of the above tests show that hydroxyapatite exhibited a diameter of about 30 nm. Moreover, due to the nanoscale of the added hydroxyapatite, the reinforcement of hydroxyapatite dispersed well in the composites and the composites possessed stable physical properties. Finally, cell culture experiment shows that the cells grew well on the composite film during two-weeks. This also indicated the god biocompatibility and safety of the composite films and their potential applications in the biomimetic bone and other biomedical fields.

Key words: nanocellulose; hydroxyapatite; nanocomposite film; structure and properties; biomimetic bone

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 纳米纤维素 2

1.3 羟基磷灰石（HA） 4

1.4 本论文研究目的及意义 5

第二章 实验部分 6

2.1 实验试剂及设备 6

2.1.1 实验试剂（表2.1） 6

2.1.2 实验设备（表2.2） 6

2.2 实验部分 7

2.2.1纳米纤维素分散液的制备（TOCN） 7

2.2.2 HA（羟基磷灰石）的制作过程 8

2.2.3 纳米羟基磷灰石溶液的制作 8

2.2.4 多比例TOCN/nHA复合薄膜的制作 8

2.2.5 纤维素/HA纳米复合膜的性能表征 8

2.3 结果与讨论 9

2.3.1 红外光谱分析 9

2.3.2 紫外-可见光谱 10

2.3.3 扫描电子显微镜分析 12

2.3.4 力学性能分析 13

2.3.5 混合薄膜的生物兼容性 14

第三章 总结 17

参考文献 18

致 谢 20

1. 绪论

1.1 引言

当今时代，由于经济的飞速发展，人们对石油、天然气、煤炭等化工原料的无节制无限制的开采，全球所面临的资源短缺、环境污染等问题已经越来越严重。资源的不可再生、石油以及不可再生能源对环境污染的加剧，造成了人们对于可降解材料、无污染资源以及可再生资源越来越迫切的需求。^[1]而科学技术也随着人们的需求越来越倾向于可再生、无污染天然资源的研究与发展。第239届美国化学学会会议以“可持续世界的化学”，第249届会议则以“化学与自然资源”为主题，而在2017年，第253届美国化学学会会议提出了“健康与医药科学”等主题。这些会议主题所蕴藏的思想为当今化学材料科学的发展提供了重要的方向，即在生产与研发材料的同时，尽可能的从天然高分子与可再生能源方向开始生产与研究，尽可能的保证今后在大规模生产中不使用或者少使用对环境与人体有害的化学物质。^[2]因此，天然高分子材料的研究与开发开始收到了越来越多的各行业人士的高度关注。在几十年的研究历程中，随着各种环境友好及生物相容的资源的开发与利用，天然高分子材料，以一种古老的身份进入研究者们的视野，并由众多研究者赋予它新的生命。天然高分子是一类大量存在于动植物以及微生物中的大分子有机物质，并且含量种类众多，主要包含纤维素、甲壳素/壳聚糖、淀粉、蛋白质、木质素、天然橡胶、天然聚酯等。^[3]它们在自然界中拥有着丰富的产量以及广泛的来源，因此大力开发与研究天然高分子材料对于国家的经济实力发展有着重要的意义。所以，新型高分子材料在国内外材料领域作为一颗明星越来越受到众多学者的关注。而在众多的天然高分子材料当中，纤维素的应用明显是最广泛且作用最多的一类了。

自1838年以来，来自法国的科学家Anselme Payen（1795–1871），在一次试验中利用硝酸与氢氧化钠溶液重复交替处理木材后，第一次分离出一种新的均匀的化合物，并将其命名为纤维素（cellulose），^[4]在Comptes Rendus杂志上发表了第一篇关于纤维素的论文。之后，“纤维素（cellulose）”这个名字便正式被确定，并一直沿用到今天。此后，各国研究者对纤维素的起源、化学结构、力学性质、物理性质及其应用等进行了非常详细的研究。在1962 年，美国化学学会设立了Anselme Payen奖项以嘉奖在纤维素领域有着突出贡献的各国科学家。Anselme Payen奖是可再生资源材料领域以及纤维素研究领域的最高奖项，获奖者由评选委员会统一选出，评选步骤有着一套严格的推荐与检测系统，并且皆是在该领域被国际上认可的著名科学家。^[5] 随着纤维素的发现，关于它的研究逐渐在各领域开展，在1932年有了突破性的进展，由德国科学家 Staudinger发现了其高分子结构式。^[6]纤维素是一种纤维二糖重复单元，并由β-1,4-D-糖苷键相连接的线型聚合物，它的化学结构式为(C₆H₁₀O₅)_n，C含量44.44%，H含量 6.17%，O含量 49.39%。n为聚合度，每条链的重复单元数目n取决于原料来源。纤维素的分子结构如图1 所示。^[7]