多壁碳纳米管/磷酸钙骨水泥的制备及性能研究

来源 :西南交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jia1987_LOVE
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磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)在体内能自行转化成与硬组织的主要无机成分相似的羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HA),因此具有良好的生物相容性,但是CPC抗压强度低、脆性大,常用于颅骨修复、面部整形和牙齿填充等非承重骨部位,限制了其在临床上的应用。碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)是一种新型一维材料,具有优异的力学性能,常被用作材料增强相;但当CNTs用于强化CPC时,需考察其生物相容性:有研究表明,高纯CNTs具有良好的细胞相容性,这为CNTs强化CPC提供了可能。本论文主要研究了含多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNTs)的CPC复合材料的制备方法,以及理化性能和细胞相容性评价。由于MWNTs是一种磁响应物质,具有显著的磁性能,因此采用静磁场(Static Magnetic Field, SMF)评价了其对含有MWNTs的CPC上成骨细胞活性的影响。首先采用物理共混法(Physical Blending, PB)、化学共沉淀法(Chemical Coprecipitation, CC)、仿生浸泡法(Bionic Immersion, BI)和化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)制备MWNTs/HA复合粉,并以此为固相材料之一,制备了含有MWNTs的CPC材料。以PB法为基础制备MWNTs/HA复合粉时,深入研究了硅烷偶联剂KH-792、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)四种表面活性剂以及KH-792修饰的不同MWNTs含量(0.17wt%、0.425wt%、0.68wt%、1.02wt%和1.53wt%)对CPC性能的影响。结果表明,MWNTs对CPC的物相组成无影响,但会减少CPC的凝固时间,且随着MWNTs含量的升高,凝固时间显著减少。通过表面活性剂修饰的试样中,CPC-KH-792的力学性能最好,其抗压强度和弹性模量分别提高了41.87%和48.23%;当MWNTs含量为0.425wt%时,CPC的力学性能最好,且随着MWNTs的增加,其力学性能降低。以CC法为基础制备MWNTs/HA复合粉,深入研究了壳聚糖(Chitosan, CS)的加入和不同添加量(0.425wt%、0.85wt%、1.275wt%和1.7wt%)对CPC性能的影响。结果表明,CS的加入会减少CPC的凝固时间,并降低CPC中HA的结晶度、抑制HA的生长。CS对CPC的力学性能改善有限,当CS的含量为0.85wt%时,力学性能较好,仅分别提高了16.67%和23.78%。以BI法为基础制备MWNTs/HA复合粉时,深入研究了模拟体液(Simulated Body Fluid, SBF)、加速钙化液(Accelerated Calcification Solution, ACS)和过饱和磷酸钙溶液(Supersaturated Calcium Phosphate Solution, SCS)三种不同浸泡介质对CPC性能的影响。结果表明,MWNTs/HA-SBF复合粉中既含有HA又有OCP,且MWNTs分散均匀;MWNTs/HA-ACS和MWNTs/HA-SCS复合粉中仅含少量的HA,且被严重团聚的MWNTs所包裹。CPC-SBF中HA的结晶性最好,在ACS和SCS中浸泡得到的复合粉会降低HA的结晶度、抑制HA生长和增加CPC孔隙率。采用此法制得的复合粉对CPC力学性能改善有限,其中CPC-SBF的抗压强度和弹性模量较好,但仅分别提高了18.44%和11.45%,而CPC-ACS和CPC-SCS的力学性能则明显低于CPC-Blank,均不及CPC-Blank的一半。以CVD法为基础在HA表面原位生长MWNTs,得到MWNTs/HA复合粉并研究了其对CPC性能的影响。结果表明,在HA上原位合成的MWNTs含量约为9wt%,MWNTs长度约为1μm,直径约为50~100nm, MWNTs与HA形成较强的键合。此复合粉对CPC物相无影响,但会降低HA的结晶度、抑制HA晶体生长。CPC-CVD抗压强度和弹性模量仅稍高于CPC-Blank,表明其对CPC的力学性能改善有限。通过体外成骨细胞培养,研究了不同方法和不同MWNTs含量下制备的CPC样品的细胞相容性,同时也深入比较了外加SMF的有无对成骨细胞在CPC上增殖、·分化活性以及形态的影响。结果表明,MWNTs对成骨细胞的增殖活性有抑制作用,其中CPC-CVD上的成骨细胞的增殖活性最弱;并且随着MWNTs含量的增加,抑制作用变强。在SMF的作用下, CPC上的成骨细胞的增殖和分化活性均显著提高,表明SMF对成骨细胞的增殖和分化都有显著的促进作用。在无SMF作用时,成骨细胞铺展良好,呈现出不同的形态,有伪足伸出,部分伪足相互连接;成骨细胞有向试样内部生长的趋势,表明含大量微孔的CPC具有良好的骨传导性。在SMF作用下,成骨细胞与试样的黏附变的更加紧密,表明SMF能促进成骨细胞的黏附。
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