纳米生物活性玻璃骨修复复合材料的制备及性能研究

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长期以来,骨缺损修复都是国内外临床医学和生物材料领域一个重要的研究课题。为获得具有合适力学性能和生物活性的骨修复材料,本课题选取可降解高分子聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)和不可降解的聚醚醚酮(PEEK)为基体,添加具有高比表面积、生物活性和降解性的不同形貌的改性纳米生物活性玻璃(MNBG)为增强材料,制备了MNBG/PLGA和MNBG/PEEK复合材料,并详细研究了复合材料的综合性能,初步探索了其应用于骨修复领域的可能性。  首先,本论文采用碱催化溶胶-凝胶法结合模板剂自组装技术,以溴化十六烷基三甲铵(CTAB)、吐温-80(Tween-80)和柠檬酸(CA)作为模板剂,控制生物活性玻璃(NBG)颗粒形态,制备出不规则、球形(b-NBG)和棒状(r-NBG)的纳米生物活性玻璃。模板剂的不同浓度决定了颗粒的形态和尺寸,三种形貌的纳米生物活性玻璃均具有良好的体外类骨磷灰石沉积能力。采用用偶联剂APTES对不同形貌纳米生物活性玻璃进行改性,使其分散性得到改善,进一步增大纳米粒子的比表面积,提高其生物活性。  其次,本论文采用溶液共混法制备了一系列改性MNBG与PLGA复合材料,同时制备相同比例PLGA/NBG复合材料作对比,考察了纳米粒子的含量和形貌对PLGA复合材料结晶度、力学性能和降解性能的影响。结果表明,MNBG添加量为10 wt%是可使PLGA的拉伸强度和断裂伸长率分别提高35.41%和77.04%,远远高于NBG对PLGA的增强效果;纳米粒子形貌对PLGA复合材料力学性能和结晶度的影响效果为:r-MNBG>b-MNBG>MNBG。MNBG/PLGA复合材料在SBF溶液中矿化类骨磷灰石钙磷比为1.57,具有良好生物活性;降解实验结果表明,NBG加速了PLGA复合材料降解,由于MNBG与PLGA基体之间的界面相容性得到改善,延迟了MNBG与基体之间的界面分离,MNBG/PLGA复合材料的降解速度较NBG/PLGA复合材料慢,力学强度衰减减缓。  另外,本论文设计制备了MNBG/PEEK复合材料,考察纳米粒子的含量和形貌及退火条件对PEEK复合材料力学性能和热力学性能的影响。结果表明,MNBG的添加量为5wt%,MNBG/PEEK复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别为94.15 MPa和165.53 MPa; MNBG含量达到10 wt%,复合材料的拉伸强度仅为54.78 MPa,弯曲强度为156.83 MPa,MNBG形貌对复合材料力学强度的影响效果为:MNBG>r-MNBG>b-MNBG;等温退火可以大幅度提高材料结晶的完善性和材料的强度。体外类骨磷灰石形成实验表明MNBG/PEEK复合材料在SBF中能诱导碳酸羟基磷灰石的生成,而纯PEEK材料在SBF中浸泡14天也未能诱导出类骨磷灰石。从而说明纳米生物活性玻璃引入增强PEEK力学性能的同时也赋予了复合材料较好的生物活性。  最后,对MNBG/PLGA和MNBG/PEEK复合材料进行了体外细胞培养实验,CKK-8检测和荧光染色实验结果说明成骨细胞能在复合材料表面正常粘附、生长和增殖,纳米生物活性玻璃的加入增强了复合材料表面成骨细胞增殖活性。
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