论文总字数：25052字

摘 要

随着材料研究的发展和医疗水平的提高，人们对健康的重视，生物功能材料越来越受到人们的关注。羟基磷灰石大量存在于哺乳动物的骨骼之中，是一种天然的生物材料，它因良好的生物相容性和生物活性，成为了一种备受瞩目的骨组织修复材料，但是由于它本身的机械性能缺陷，使得它在骨修复之中应用受到一定的限制，复合材料技术的成熟使得该材料的应用找到了出路。

本文查阅和参考了大量的文献，对聚偏二氟乙烯/羟基磷灰石（PVDF/HAp）复合材料的制备原理和制备工艺进行了分析和比较，探究其最为经济环保安全的制备工艺，总结了该复合材料的性能及其影响因素，同时分析它们之间的相关关系，得出复合材料的掺杂效果和合适的制备条件，所得结果对于该复合材料的制备工艺具有重要的指导意义。

论文主要研究了聚偏二氟乙烯/羟基磷灰石（PVDF/HAp）复合材料的工艺设计和性能影响因素，本次研究主要复合材料工艺为共混法，其中温度、原料等因素对性能会产生一定的影响。

研究结果表明：聚偏二氟乙烯/羟基磷灰石复合材料相比于羟基磷灰石材料，机械性能明显加强，并且铁电性能有所提升，这使得它在骨修复领域有巨大的应用前景。

关键词：聚偏二氟乙烯；羟基磷灰石；铁电性；骨组织植入物

Abstract

With the development of material research and the improvement of medical level, people pay more attention to health, more and more biological functional materials attract people's attention. Hydroxyapatite, one of important natural biomaterial, exists in a large number of mammalian bones. Because of its good biocompatibility and bioactivity, hydroxyapatite has become a kind of bone tissue repair material, but it is difficult to apply in bone repair due to its own mechanical defects,, and the maturity of composite technology makes the application of this material find a way out.

In this paper, the preparation principle and process of PVDF / HAp composite were analyzed and compared, and the most economical and environmentally safe preparation process was explored. At the same time, the factors affecting the properties of the composites and their relations were sorted out, and the doping and suitable preparation conditions of the composites were obtained. The results obtained have important guiding significance for the preparation process of the composite.

In this paper,the process design and the factors affecting the properties of polyvinylidene fluoride/hydroxyapatite (PVDF/HAp) composites were studied. In this study, the main composite process is blending, in which temperature, raw materials and other factors will have a certain impact on the properties.

The results show that the mechanical properties and ferroelectric properties of polyvinylidene fluoride/hydroxyapatite composites are obviously stronger than those of hydroxyapatite materials, which makes it have a great application prospect in the field of bone repair.

Key Words：polyvinylidene fluoride；hydroxyapatite；ferroelectricity；bone tissue implants

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 生物医用材料概述 1

1.2.1 天然高分子材料 1

1.2.2 合成高分子材料 1

1.2.3 生物活性陶瓷材料 2

1.2.4 医用高分子材料及其复合材料的研究现状 2

1.3 铁电性和具有铁电性能的高分子材料 3

1.3.1铁电高分子材料的种类和特点 3

1.3.2 铁电高分子材料研究现状及应用 3

1.3.3 铁电材料在生物医疗中的应用 3

1.4 目的和意义 4

第2章 铁电高分子材料 5

2.1 铁电性能高分子材料 5

2.1.1 天然铁电高分子材料 5

2.1.2 合成铁电高分子材料 5

2.2 骨修复用的生物铁电高分子材料 6

第3章 羟基磷灰石材料的铁电与制备 8

3.1 羟基磷灰石的结构与特点 8

3.2 羟基磷灰石的制备方法 8

3.2.1 固相反应法 8

3.2.2 化学沉淀法 8

3.2.3 水热合成法 8

3.2.4 溶胶-凝胶法 9

3.2.5 超声合成法 9

3.2.6 微乳液法 9

3.2.7 羟基磷灰石的制备方法比较 9

3.3 羟基磷灰石的研究进展及应用 9

第4章 HAp/PVDF复合材料的制备与性能 11

4.1 复合材料的制备与性能 11

4.1.1 复合材料的制备方法 11

4.1.2 复合材料的研究现状 12

4.1.3 复合材料的性能及其影响因素 12

4.2 影响HAp/PVDF复合材料性能的因素 13

4.2.1 HAp制备时原料、PH和温度的影响 13

4.2.2 向羟基磷灰石中掺杂离子的影响 15

4.2.3 复合材料中羟基磷灰石质量占比的影响 17

第5章 HAp/PVDF复合材料的工艺设计 21

5.1 羟基磷灰石/聚偏二氟乙烯复合材料 21

5.2 HAp/PVDF复合材料的工艺设计 21

5.2.1 羟基磷灰石的制备和性能 21

5.2.2 羟基磷灰石/聚偏二氟乙烯复合材料的工艺设计 23

5.2.3 掺杂离子的羟基磷灰石/聚偏二氟乙烯复合材料的工艺设计 23

5.2.4 复合材料的性能测试 23

5.3 研究对健康、安全、成本以及环境等影响的分析 24

第6章 结论 25

参考文献 26

致谢 29

第1章 绪论

1.1 引言

随着人们生活水平的提高，人们对健康方面的关注也更加重视，促进了现代医疗水平的发展。近年来，全球老龄化的加重，老龄人口的增多，导致了一系列的老龄化问题，其中老年人骨折治愈问题尤为重要。随着年龄的升高，骨组织的自愈修复能力不断地下降，如何缩短老年人的骨组织自愈周期，降低老年人的痛苦已经成为这类医学问题的重点。

人体自然骨的无机基质中含有一种重要的成分—羟基磷灰石，它在骨质成分中占了近六成，而在牙齿骨成分中更是占有97%^[1]，具有优越的生物相容性和生物活性，能加速骨组织的生长，与骨组织进行良好而稳固的结合。但是同时，羟基磷灰石作为骨修复材料也有许多的弊端：该材料本身的强度较低，脆性较大，韧性以及相关力学性能较差^[2-3]。这些弊端使得该材料难以应用于承重部位，导致它在医学方面的应用受到了限制。如何改造材料的性能，让其更加符合材料使用寿命和生物活性和相容性完美结合，成为该类材料研究的重要课题。

随着医用高分子材料的发展，研究发现，适当将羟基磷灰石引入高分子能够有效的改善高分子材料本身的性能，而且还可以加强力学方面的性能和加快骨组织的再生与生长。

1.2 生物医用材料概述

1.2.1 天然高分子材料

天然高分子材料是指那些来自于大自然，能够从动植物体内提取出来的高分子材料，常见的有甲壳素、纤维素等等。壳聚糖是甲壳素的衍生物，具有很好的生物生物降解性以及很好的生物体相容性，董德刚等人利用壳聚糖作为药物载体调节了患有糖尿病小鼠的免疫系统，能够增强其免疫力，提高患有糖尿病小鼠的存活率，为医疗临床上治疗糖尿病提供了一系列十分有效的依据。刘彦冬等人通过制备壳聚糖/聚乳酸神经导管，找到了能够修复大鼠坐骨神经的方法，在临床治疗领域上提供了一种治疗坐骨神经损伤的全新方法^[4]。

人体内本身也含有多种天然的高分子，如胶原。胶原在人体内已经发现拥有二十多种，对人体生命活动起到十分重要的作用。

1.2.2 合成高分子材料

自然情况下，人体内本就含有多种高分子，这使得研究者将人体植入物中目光转移到了高分子材料上。合成的生物性能高分子材料包括可降解性生物高分子材料和生物惰性高分子材料。可降解性的生物高分子材料在医疗方面的应用主要用于药物载体和骨内牢固装置，这类材料的特点在于其完成自己的作用后，能够被人体吸收降解，从而减少第二次手术以及一些后续问题。而生物惰性高分子材料主要应用于需要长期植入人体并且还能够稳定地存在的医疗药物或者器材。

1.2.3 生物活性陶瓷材料

生物材料是对生物体组织有修复、再生和替代作用的一类材料。以前应用最为广泛的是金属材料和有机材料，但是金属材料往往经过长时间会遭到腐蚀，产生出一些有害的金属离子对人体不利，而有机材料大多在强度和耐久度上有缺陷。生物陶瓷材料根据它们在生物体内的活性分为生物惰性陶瓷材料和生物活性陶瓷材料。由于生物活性陶瓷材料具有良好的生物活性和生物相容性，越来越得到了人们的重视^[5]。生物活性陶瓷材料由于其良好的生物相容性，能够在材料表面形成骨质，通过和组织相互作用，与组织形成键合加强依附，同时因为该材料具有一定的强度，又能够起到支撑作用。常见的生物活性陶瓷材料有羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷材料。

1.2.4 医用高分子材料及其复合材料的研究现状

目前国内外已成功将有机高分子材料和磷酸钙基生物陶瓷进行复合，研究和制备出多种复合材料。于伟^[2]等将羟基磷灰石（HAp）分散于甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体液体中，经聚合反应得到羟基磷灰石/聚甲基丙烯酸甲酯（HAp/PMMA）生物复合材料，改善了羟基磷灰石本身强度低，韧性及力学性能差的缺点，同时增强了生物相容性，能使其应用于生物医学之中。Silva^[6]等将双相磷酸钙（BCP）与聚偏二氟乙烯（PVDF）复合成功制得PVDF/BCP生物铁电复合材料，在模拟体液（SBF）溶液中浸泡7天后，通过SEM观察和材料断面分析，发现获得了15µm厚的合成骨组织，这无疑表明PVDF-BCP复合材料具有很高的生物活性。此外，在30赫兹的条件下获得的铁电磁滞回线，表明PVDF-BCP 复合材料在很低的电场下就能够达到较高的残余极化，可潜在地应用于先进的生物医学应用，通过使用电场作为外部刺激来加速骨折的愈合过程。

巴西学者Francisco^[7]的团队成功制备出PVDF-HAp复合材料，在该材料的生物相容性研究的首次体外测定中，显示无毒性，这就意味着它将会是潜在的人体植入物候选者，可以应用于现代医学骨修复之中，此外这次研究还提供了两种物质复合的一种可行性的方法。这些研究都将未来骨组织修复医学材料，推向了铁电性高分子/羟基磷灰石复合的方向。

1.3 铁电性和具有铁电性能的高分子材料

1.3.1铁电高分子材料的种类和特点

铁电性是在一些电介质晶体中，晶胞的结构使得其正负电荷的中心不重合而产生电偶极矩，发生自发极化，呈现出类似铁磁体的特点，这种特性称为铁电性。Silva等人^[6]通过相关材料的体外和体内实验，证实了铁电性高分子材料能通过改变其表面离子的结构或通过外界刺激来促进骨组织的生长。近期，关于在人体骨植入材料中的应用的研究也表明：铁电材料和生物活性材料之间的复合材料可以获得一种具有十分高的应用潜力的创伤科复合材料。

请支付后下载全文，论文总字数：25052字

相关图片展示：