摘 要

因感染、创伤以及老龄化等原因造成的骨缺损近年来受到材料研究和临床应用相关学者的极大关注，组织工程支架材料为修复此类损伤提的一个有效途径。材料的化学组成和孔结构很大程度上决定了支架材料植入人体后的行为。磷酸钙基类松质骨支架材料具有三维连通孔结构、能够骨诱导、可调生物降解和具有一定强度等特征已成为目前公认的理想生物材料。

本实验利用冷冻干燥法制备羟基磷灰石（HA）多孔支架材料，选取HA晶须（HAw）和HA微粉（HA）为主要原料、聚丙烯酸钠为分散剂、乙醇为凝结改性剂，生物玻璃为助烧剂，添加不同用量的聚丙烯酸钠和乙醇到HA-HAw水基悬浮液中，并加入适量的助烧剂如生物玻璃等，通过合理控制HAw/HA比例、悬浮液的pH值和粘度值，探索出合适的聚丙烯酸钠用量，使HAw能在一定浓度的HA悬浮液中稳定悬浮，并均匀分散。并研究不同冷冻温度、时间及冷却速率等对多孔支架材料力学性能和孔结构特征的影响，最后烧制成符合性能和要求的HAw增强HA多孔生物陶瓷。通过对支架材料的抗压强度、孔形貌和分布、孔隙率、孔径大小等性能的表征，确定较合适的聚丙烯酸钠和凝结改性剂的用量，分析分散剂和凝结改性剂对HA支架材料结构和性能的影响，最后得出一个较合适的分散剂和凝结改性剂的用量配比，为HA支架材料的制备提供一些有益的基础研究参考。

实验结果表明：合适的分散剂和凝结改性剂的配比，能成功制备出抗压强度足够、又具有良好定向孔结构的HA支架材料。聚丙烯酸钠具有良好的分散性能，添加量为0.075%-0.2%时，可以获得具有平行、孔径大多为50-100um、连通的孔结构，吸水率都在80%以上，但抗压强度有的低至0.2MPa，有的接近1MPa；乙醇是简单易得且无毒害的凝结改性剂，能有效地降低悬浮液的凝固点，添加量在10%-20%时，孔结构比较优良，但抗压强度差别较大，有的低至0.15MPa，有的高至0.7MPa。由于悬浮液的搅拌情况（例如磁子旋转情况是否优良）、乙醇溶液的挥发情况、冷冻干燥机的干燥情况等都会对悬浮液的黏度以及最终成品造成一定影响，所以考虑到抗压强度、孔结构以及吸水率等多个指标，聚丙烯酸钠添加量为0.1%，乙醇添加量为10%是一个较为合适的配比。

关键词：羟基磷灰石支架材料；分散剂；凝结改性剂；成孔结构

Abstract

With the increase of the aging population, as well as various causes such as self-defects, infection, trauma , there are tens of millions of patients around the world who need to use biomaterials to repair or replace tissue or organs.Bone tissue engineering scaffolds provide an effective alternative to repair such bone damage. The behavior of the scaffold material after implantation into the human body depends largely on the chemical composition and pore structure ofthe material. The ideal material should have a three-dimensional interconnected pore structure with cancellous bone features, be osteoinductive, biodegradable and have a certain degree of strength.

In this experiment, a controlled-variable method was used to select sodiupolyacrylate as a dispersant, add different amounts of sodium polyacrylate to HA-HAw aqueous suspension, and add appropriate amounts of auxiliary agents, such as bioglass and adhesion modifiers. Such as reasonable control of the ratioofHAw/HA, pH value of the suspension, and viscosity value, to find a suitable amount of sodium polyacrylate, so that HAw can be suspended in a certain concentration of HA suspension, and evenly dispersed. Porous scaffold materials were prepared by freeze-drying, and the effects of different freezing temperature, time and cooling rate on the mechanical properties and pore structure characteristics of porous scaffold materials were studied. Finally, HA porous HA bioceramics with HAW-enhanced properties and requirements were prepared. Through the characterization of the compressive strength, pore morphology and distribution, porosity, pore size and other properties of the scaffold material, the appropriate amount of sodium polyacrylate was determined. Finally, under the optimal amount of dispersant, the amount of the coagulation modifier was changed, and the effect of the coagulation modifier on the structure and properties of the HA stent material was analyzed. Finally, a suitable amount of the dispersant and the coagulation modifier was obtained. ratio. Focusing on the amountofpolydispersant and the effect of coagulation modifier on the pore structure of HA scaffold materials, some basic researches are done for the preparation of HA scaffold materials.

The experimental results show that suitable HA dispersant and coagulation modifier can successfully prepare HA scaffolds with sufficient compressive strength and good oriented pore structure. Sodium polyacrylate has a good dispersion performance. Addition of 0.075%-0.2% can obtain a pore structure with parallel pores, large pore diameter and connected pores. Ethanol is a simple and easily available and non-toxic coagulation modifier, effective To reduce the freezing point of the suspension, when the addition amount is 10%-20%, the pore structure is relatively good, but the compressive strength varies greatly. Taking into account the compressive strength, pore structure and water absorption and other indicators, the amount of sodium polyacrylate is 0.1%, ethanol is 10% is a more appropriate ratio.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 HA支架材料概述 1

1.2 羟基磷灰石支架材料制备方法简介 1

1.2.1 添加造孔剂法 2

1.2.2 化学发泡法 2

1.2.3 有机泡沫浸渍法 2

1.2.4 冷冻干燥法 2

1.3 晶须分散方法简介 3

1.3.1 分散晶须的方法 3

1.3.2 分散剂的作用机理 3

1.3.3 晶须分散研究现状 4

1.4 凝结改性方法以及研究现状 4

1.4.1 凝结改性方法 4

1.4.2 凝结改性的研究现状 4

1.5 研究目的及内容 5

1.5.1 研究目的及意义 5

1.5.2 研究内容 6

第2章 试验 6

2.1 实验仪器、设备及试剂 6

2.1.1 实验仪器和设备 6

2.1.2 实验原料 7

2.2 试验流程 7

2.2.1 玻璃粉的制备过程 7

2.2.2 HA粉末的制备过程 7

2.2.3 HA晶须的制备过程 8

2.2.4 支架材料的制备 8

2.3 试样测试内容 11

2.3.1 悬浮液粘度测试 11

2.3.2 SEM观察 11

2.3.3 材料吸水率的测定 11

2.3.4 材料抗压强度的测定 11

第3章 实验结果分析 12

3.1 试样孔结构形貌分析 12

3.1.1 聚丙烯酸钠对试样孔结构形貌的影响 12

3.1.2 乙醇对试样孔结构形貌的影响 18

3.2 试样力学性能分析 20

3.2.1 聚丙烯酸钠对试样力学性能的影响 20

3.2.2 乙醇对试样力学性能的影响 21

3.3 试样成孔性能的分析 21

3.3.1 聚丙烯酸钠对试样成孔性能的影响 21

3.3.2 乙醇对试样成孔性能的影响 22

3.4 添加剂作用机理分析 23

3.4.1 聚丙烯酸钠的作用机理分析 23

3.4.2 乙醇的作用机理分析 24

第4章 结论 25

致谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 HA支架材料概述

羟基磷灰石（Hydroxyapatite，简称HA），是一种典型的磷酸钙类生物陶瓷材料。由于它与人体硬组织的无机物结构和成分相似，具有优于其它生物材料的生物相容性和生物活性，所以能与机体组织在界面上实现化学键性结合。而且HA能够部分溶解在在人体内，对人体骨头的生长过程起到刺激或诱导作用，促进骨头的自主修复过程，显示出优异的生物相容性、生物活性和骨传导性能 ^[[1]]。

以羟基磷灰石为主要原料制备多孔羟基磷灰石陶瓷，不仅有利于生物组织的附着，与骨组织形成骨性键合，且当植入体内时合适的孔径还有利于生物组织的长入。所以多孔羟基磷灰石陶瓷在填充缺损的骨组织方面表现出良好性能。^[[2]]。另外，作为目前已知最佳的骨修复材料之一的多孔羟基磷灰石陶瓷，不仅其内部的联通孔结构，可以为细胞输入营养、排除废物，有利于骨细胞的新陈代谢，能有助于人体的自主修复过程，而且不会引起人体免疫系统系统的过敏反应^[[3]]。

骨组织工程支架材料是细胞生物学科和材料科学学科结合的一种产物，具有三维生物相容性结构，它可模拟细胞外基质，为组织细胞提供适宜的生长环境，即提供了细胞进行新陈代谢的场所。同时，支架材料在体内有一定的溶解度，即会以一定的速率慢慢降解掉，给体内新生的骨组织提供生长空间。^[[4]]。

磷酸钙基骨组织工程支架材料具有人体骨骼相似的化学组成，目前已成为一种重要的骨组织工程材料，为利用组织工程技术在体内或者体外构建组织或器官有提供一条重要的技术途径。但是，常用的多孔磷酸钙支架材料力学强度非常低，其在骨修复工程上的应用受到了极大地限制。目前通常采用添加羟基磷灰石晶须（HAw）的方式来增强多孔生物陶瓷材料的强度，提升其使用性能^[[5]]。在制备生物陶瓷过程中，因为晶须会发生团聚，使得晶须分布不均匀，削弱了材料的性能^[[6]]。因此，晶须分散性能是决定晶须增强效果的决定性因素。只有当羟基磷灰石晶须在陶瓷浆料内均匀稳定的分布时，受到外力时能够将力均匀地传递到每根晶须上，那么将提升制备所得的羟基磷灰石支架材料的机械性能、相容性和使用寿命。

1.2 羟基磷灰石支架材料制备方法简介

修复骨组织对支架材料有如下要求：孔隙率、吸水率比较高，大于100μm的孔径，以及孔与孔之间相互贯通^[[7]]。因此大家都希望能够制备出孔多、大且连通的孔结构的支架材料。

得益于许多学者的研究工作，现在出现了几种不同的多孔HA生物陶瓷材料的制备方法。

1.2.1 添加造孔剂法

该方法是在浆料中添加一定量的在烧结过程中会留下孔隙的造孔剂，在一定温度烧结条件下，使造孔剂燃尽或者挥发留下气孔。该方法的优点是制备出的陶瓷的孔结构比较可控，缺点就是陶瓷内部的气孔不均匀分布而且不相互连通。陈艳林等人^[[8]]的实验使用泡沫等作为有机造孔剂，按照制备普通陶瓷的试验流程，最终获得的多孔材料密度为1.15-1.52g/cm³ ，孔隙率为30.9-40.7%。

1.2.2 化学发泡法

该方法是在陶瓷浆料中添加高温条件下发生化学反应产生气体的物质，混合均匀之后，在高温条件下，化学物质变为气体，陶瓷内部留有气孔。此方法的缺点是实验过程繁复，而且化学物质反应之后留下的气孔大小等状况不可操控。Klein等人^[[9]]的试验中，把混有聚乙烯醇与过氧化氢的水溶液作为反应产生气体的化学物质，与HA粉末混合均匀得到浆料，最终制得的陶瓷材料内部孔结构连通，孔结构优良。。

1.2.3 有机泡沫浸渍法

该方法是利用把泡沫塑料等高温下可以燃烧完全的物质作为载体，载体上面附着陶瓷浆料，高温条件下载体会燃烧完全，从而在试样中留下气孔。该方法可以制备出气孔均匀分布的陶瓷材料，但得到的材料强度不高。另外，有机泡沫容易产生有害气体，不环保。田杰谟等人^[[10]]采用多孔聚氨脂泡沫作为载体制备HA多孔陶瓷。制备出的陶瓷材料孔径在200-300μm，孔隙率为80%，但材料力学性能差。

1.2.4 冷冻干燥法

冷冻干燥法是一种可以制备出高定向性、高气孔率和复杂形状的环保型工艺。

真空冷冻干燥法主是陶瓷浆料中的水分子凝结成为冰晶，使得浆料中的固体和液体分开，随着冰晶长大，和无机物颗粒分开，最终形成冰晶态和其他相连的固相，当在真空或低压下冷冻干燥时，冰晶挥发，形成多孔结构。冷冻干燥法的优点是制备的多孔材料有平行孔结构，而且孔的大小和形貌可以通过选择不同粒径的粉体来控制，能够接近真实骨骼中孔结构^[[11]]。赵康等人[^[12]]采用冷冻干燥法制备出连通孔结构的HA陶瓷材料，孔隙率范围为45%-85%、孔径大小范围为100-800 µm 。

冷冻干燥法相对其他方法而言工艺过程较为简单，是对陶瓷浆料低温冷冻实现浆料的固化从而得到坯体，而且在干燥过程中分散介质不经过液相阶段直接升华排出，不仅减少了坯体产生缺陷的可能，而且也避免了干燥时液相的毛细作用而导致成分的偏聚，从而保证了材料化学组成分布的均匀性。

所以本实验选择水基冷冻干燥法制备样品坯体，由于悬浮液的分散情况和水基质的凝结情况对最终坯体的性能有很大影响，这也是研究分散剂和凝结改性剂添加配比的缘故。

1.3 晶须分散方法简介

1.3.1 分散晶须的方法

分散晶须的方法通常有研磨、球磨、搅拌、超声分散和添加分散剂等方法。前三种方法，即研磨、球磨和快速搅拌，都是对团聚体施加一定的机械外力使其强制分离，但颗粒间在微观结构上依然连接紧密，只能做到初步分散颗粒，而且会破坏晶须的形貌，削弱性能。超声波分散技术相比而言更加实用，超声可以有效破坏团聚体，但是时间长会导致温度升高过快，反而会加剧团聚现象。选择合适种类和用量的分散添加剂，是一种经常使用而且十分有效的分散方法，因为分散剂可以避免晶须的团聚现象，而且能够保留晶须的形貌和性能^[[13]]。

1.3.2 分散剂的作用机理

在悬浮液中，分散剂颗粒与原料颗粒产生作用，从而达到分散的效果。分散机理大致可以分为以下三类。^[[14]]

（1）静电稳定作用

悬浮液中的颗粒表面会带有电荷，颗粒通过吸附溶液中其他带异种电荷的粒子，在颗粒表面形成吸附层和较远的扩散层的双电层结构，来维持颗粒表面的电中性。所以当颗粒表面带的电荷越多，颗粒间的排斥作用就会越大，分散的效果就会更好。

改变颗粒所带电荷的性质和数量的方法有调节pH值、加入一定量的电解质，这会起到增大颗粒之间排斥力的作用，从而保证悬浮液的分散情况更好。

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