论文部分内容阅读
骨组织工程支架材料是骨组织工程的关键问题。生物活性玻璃(Bioactive glass,BG)作为重要的无机医用材料,具有良好的骨结合性、生物相容性和骨传导性,成为骨修复材料的研究热点。碳纳米纤维(Carbon nanofibers,CNFs)具有优异机械性能与良好生物相容性,通常作为骨组织修复中的增强材料。本文采用溶胶-凝胶法与静电纺丝技术相结合,制备了 BG/CNFs复合膜,通过调节水与正硅酸乙酯(Tetraethyl orthosilicate,TEOS)的摩尔比、水解温度和复合纳米纤维膜碳化温度,考察制备工艺参数对纳米纤维和BG形貌、结构的影响。采用扫描电镜(SEM)和热重分析仪(TGA)对复合膜进行了表征,结果表明,当水与TEOS的摩尔比为8时,纤维粗细均匀、粘连较少,纤维表面BG粒子较多。水解温度为40℃时,纤维表面出现均匀分布的球形BG纳米颗粒。随着碳化温度升高,纤维表面纳米粒子的粒径有增大趋势,但随着碳化温度进一步升高,纤维表面纳米颗粒出现聚集融合;当碳化温度升高至1200℃时,纤维表面未观察到纳米颗粒。确定了制备BG/CNFs复合膜的最佳工艺参数:水与TEOS的摩尔比为8,水解温度为40℃,碳化温度为1000℃。在此基础上,引入Cu离子对BG进行修饰,制备了 Cu-BG/CNFs复合膜,通过调节Cu离子浓度,考察掺杂Cu对复合膜和Cu-BG纳米粒子形貌、结构的影响。利用SEM、X射线能谱分析(EDS)、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)等测试手段对Cu-BG/CNFs复合膜的形貌与结构进行分析。结果表明,随着Cu离子含量的增加,纤维和BG形貌没有明显变化,经过酸性水解后获得的一维线性BG纳米粒子的结晶度低,主要结晶相为β-CaSiO3。体外培养小鼠前成骨细胞(MC3T3-E1)实验结果表明,掺杂Cu的复合纳米纤维膜上的成骨细胞铺展形态良好,Cu掺杂量为1%～3%时细胞生长较好,含5%Cu的5Cu-BG/CNFs复合膜对细胞表现出一定的抑制作用。最后,为了提高BG/CNFs复合膜的柔性,我们制备了二氧化锆(ZrO2)掺杂的ZrO2@BG/CNFs 复合膜,通过 SEM、EDS、HR-TEM、XRD、FTIR、XPS 等测试方法对复合膜的结构和性能进行了表征。结果表明,随着碳化保温时间的延长,ZrO2@BG/CNFs复合膜表面的BG粒子先增大后变小,BG主要以β-CaSiO3和Ca3(Si3O9)的形式存在,ZrO2纳米粒子主要结晶相为四方晶相(T-ZrO2);通过添加ZrO2纳米粒子,ZrO2@BG/CNFs复合膜表现出柔性可弯曲性能。体外培养小鼠前成骨细胞(MC3T3-E1)实验结果表明,ZrO2@BG/CNFs复合膜上细胞生长、增殖良好。获得了既有良好的生物相容性又有一定柔韧性和可塑性的ZrO2@BG/CNFs复合膜,解决了 CNFs的脆性问题,进一步拓展了以BG/CNFs为基础的纳米纤维复合材料在骨组织工程领域中的应用。