1、.Zn-HAp/PLGA納米纖維膜的制備與探究Zn-HAp/PLGA納米纖維膜的制備與研究論文設(shè)計者：* 指導(dǎo)教師：*專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程論文方向：生物材料二0一五 年 五 月學(xué)術(shù)誠信聲明本人所呈交的畢業(yè)論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料均真實可靠。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本論文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本畢業(yè)論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。本人簽名： 日期： ：Zn-HAp/PLGA納米纖維膜的制備與研究Prepare

2、and study on Zn-HAp/PLGA nanofiber membrane專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程本科生：*指導(dǎo)教師：*摘要羥基磷灰石與人體骨組織具有相似的結(jié)構(gòu),因而引起了科研工作者的關(guān)注。隨著對羥基磷灰石研究的深入，科研工作者發(fā)現(xiàn)它具有良好生物相容性，可以引導(dǎo)骨的生長，能夠與骨組織形成牢固的骨性結(jié)合。因此，羥基磷灰石常用于骨修復(fù)和替代材料。PLGA是一種可降解的高分子有機化合物，具有良好的生物相容性、無毒，在組織工程中常作為支架材料來進行細胞的培養(yǎng)，為細胞生長提供三維空間。因此，本文以羥基磷灰石與PLGA為原料制備了一種復(fù)合材料，以期應(yīng)用到骨組織工程中。本文以CaCl2、ZnCl2、N

3、a2HPO4為原料，利用化學(xué)沉淀法制備出鋅摻雜的納米羥基磷灰石，再用靜電紡絲法制備鋅摻雜羥基磷灰石納米粒與PLGA復(fù)合纖維膜并用FTIR、SEM對纖維膜進行表征。SEM結(jié)果表明羥基磷灰石與PLGA的復(fù)合材料在纖維形貌上的表現(xiàn)更為出色。關(guān)鍵詞：鋅摻雜羥基磷灰石；PLGA；靜電紡絲；骨組織工程Prepare and study on Zn-HAp/PLGA nanofiber membraneMajor: Biomedical EngineeringName: Li ChengpengSupervisor: Lecturer Liyan,AbstractThe chemical compositi

4、on of hydroxyapatite is similar to the main ingredients of bone tissue of human body . Therefore，hydroxyaptite HAs attracted  much attention of the researchers. With further research on hydroxyapatite, it was discovered that the biocompatility of hydroxyapatit

5、e is very well and it can guide the growth of the bone. Hydroxyaptite and bone can reach osseointegration when it was embedded in bones. Therefore, it is widely used for bone repair and replacement material of bone.  PLGA is a biodegradable and non-toxic

6、polymer with well biocompatibility. In tissue engineering, PLGA as cell scaffold materials for cell culture is used to provid three dimensional space for cell adhesion. Here, a composite material as a cell scaffold material to be used in tissue engineering was prepared via method of electrostatic sp

7、inning using Zn-doped HAP and PLGA as raw materials in this dissertation. In this dissertation, using CaCl2、ZnCl2 and Na2HPO4 as starting materials, Zn-doped hydroxyapatite nanorods were prepared via chemical precipitation method. Then fiber membrane was prepared via method of electrostatic spinning

8、 using Zn-doped hydroxyapatite nanorods and PLGA as raw materials. The  fiber membrane was systematically characterized by SEM and FTIR. The results of FTIR showed that zinc doped hydroxyaptite nanorods were successfully entrapped in PLGA membrane. The results of SEM show HAp the prepared compo

9、site material using Zn-doped hydroxyapatite nanorods and PLGA as raw materials HAps better fiber morphology.Key words: Zn-doped Hydroxyapatite; PLGA;Electrostatic Spinning; Bone Tissue Engineering46目錄目錄摘要1Abstract2目錄4第一章緒論71.1引言71.2羥基磷灰石81.2.1羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)與特性81.2.2 納米羥基磷灰石的制備方法91.2.3 離子摻雜納米羥基磷灰石111.2.4 納

10、米羥基磷灰石的應(yīng)用121.3靜電紡絲121.3.1靜電紡絲的起源與發(fā)展121.3.2靜電紡絲原理131.3.3靜電紡絲設(shè)備141.3.4靜電紡絲影響因素151.3.5靜電紡絲納米纖維的應(yīng)用171.4本文的研究目的、主要內(nèi)容及創(chuàng)新性171.4.1 本文的研究目的171.4.2本文的研究內(nèi)容181.4.3本文的創(chuàng)新性181.5 本章小結(jié)19第二章HAp的制備與Zn-HAp的制備202.1 引言202.2 實驗試劑與設(shè)備儀器202.2.1 實驗試劑202.2.2 實驗設(shè)備儀器212.3 實驗部分212.3.1 化學(xué)沉淀法制備HAp212.3.2 化學(xué)沉淀法制備Zn-HAp222.3.3 HAp與Zn

11、-HAp的FTIR分析222.4 結(jié)果與討論222.4.1 HAp與Zn-HAp的粒徑與電位檢測結(jié)果222.4.2 HAp與Zn-HAp FTIR分析232.5 本章小結(jié)25第三章PLGA靜電紡絲探究263.1引言263.2實驗試劑263.3實驗部分263.3.1PLGA靜電紡絲溶劑與溶液濃度的探究263.3.2PLGA靜電紡絲的電壓283.4PLGA纖維膜的SEM結(jié)果293.5 本章小結(jié)30第四章HAp/PLGA、Zn-HAp/PLGA纖維膜的制備314.1 引言314.2 實驗部分314.2.1 實驗試劑314.2.2 HAp/PLGA、Zn-HAp/PLGA的靜電紡絲纖維膜的制備314.

12、3 結(jié)果與討論324.3.1 HAp/PLGA纖維膜與Zn-HAp/PLGA纖維膜FTIR結(jié)果324.3.2 PLGA纖維膜與Zn-HAp/PLGA纖維膜SEM對比354.3.3 PLGA纖維膜與HAp/PLGA纖維膜力學(xué)性能對比364.4 本章小結(jié)38第五章結(jié)論與展望395.1 結(jié)論395.2 展望40參考文獻42致謝44第一章 緒論第一章 緒論1.1 引言人體由于疾病、創(chuàng)傷等因素所造成的骨組織缺損問題可以通過某些替代物的移植來進行修復(fù)與治療，最初使用的替代物主要有兩類：一種是不銹鋼等醫(yī)用金屬材料；另一類則是自體骨、同種異體骨和人工替代骨。然而這些替代物都存在一定的局限性，例如自體骨雖然是較

13、為理想的骨缺損修復(fù)的替代物，但存在來源受限，對供骨部位有損傷；異體骨與人工骨雖然解決了來源問題，可滿足大范圍移植治療需求，但是存在免疫排斥、感染等問題。這就迫使科研工作者去尋找更為優(yōu)異的骨移植材料，希望在解決來源與相容性問題的同時其他各方面性能也都都要求達到人體骨組織的性能標準，尤其是機械性能方面。隨著組織培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及，細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、組織工程學(xué)、生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)等多門學(xué)科的發(fā)展，1995年Crane GM系統(tǒng)提出了骨組織工程的概念、研究方法、研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景，引起了廣大學(xué)者的關(guān)注1。骨組織工程是指將自體成骨細胞、骨髓基質(zhì)干細胞或軟骨細胞分離出體外并且培養(yǎng)增殖之后接種

14、到細胞支架或細胞外基質(zhì)上,當細胞在支架上培養(yǎng)到一定程度之后，將這種細胞雜化材料植入人體骨缺損部位，在支架材料的體內(nèi)降解過程中所種植的細胞在人體骨缺損部位不斷增殖，并最終形成新的組織，從而達到骨修復(fù)的治療目的。所使用的細胞支架材料要求具有良好生物相容性，移植到人體后可逐步被人體降解吸收而不會有毒副作用，為細胞提供生存的三維空間以利于細胞附著生長、進行物質(zhì)交換與新陳代謝。骨組織工程主要包括三要素種子細胞，細胞支架，生長因子。細胞支架材料是構(gòu)建骨組織工程的基本構(gòu)架。因此，尋求一種性能優(yōu)異的細胞支架材料是骨組織工程中必不可少的工作。二十世紀九十年代，科研工作者就發(fā)現(xiàn)了人體的骨骼和牙齒的主要成分與羥基磷

15、灰石（HAp）十分相似2。二十世紀五十年代，科研工作者已經(jīng)人工合成羥基磷灰石單晶和羥基磷灰石多晶體 3。隨著對羥基磷灰石研究的深入，科研人員發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性，而且植入人體中能夠與人體骨組織緊密結(jié)合，并且可以引導(dǎo)骨生長。聚丙交酯-乙交酯共聚物（PLGA）是組織工程中較為常用的人工合成高分子材料，通過調(diào)節(jié)丙交酯、乙交酯的比例可以調(diào)節(jié)其表面性能以及生物降解速率，降解產(chǎn)物無毒。同時可以根據(jù)具體組織或器官的特點進行專門設(shè)計，具有良好機械性能,易于加工，產(chǎn)品的質(zhì)量容易標準化,可以大規(guī)模生產(chǎn)。但PLGA生物活性不高，在骨組織工程中不能引導(dǎo)骨生長，而羥基磷灰石則相反，由單一的羥基磷

16、灰石所制備的生物陶瓷生物活性高但機械性能不佳，脆性大。隨著復(fù)合材料研究的深入，羥基磷灰石與PLGA的復(fù)合研究逐漸引起了研究者的關(guān)注。相比宏觀材料，納米材料具有其獨特的光、電、磁性能，在大多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。一維納米材料是指在兩維方向上為納米尺度，一維方向為宏觀尺度的納米材料，例如納米管、納米纖維等。一維材料的制備方法通常有氣-液-固生長法、模板法、溶劑熱合成法、靜電紡絲法等。其中，靜電紡絲技術(shù)是近年發(fā)展起來的一維材料制備方法。隨著靜電紡絲技術(shù)的日趨成熟，利用靜電紡絲技術(shù)制備納米材料已經(jīng)逐步成為研究熱點。該法操作簡單，可以通過靜電紡絲法獲取直徑極小的納米纖維，制備納米管、納米纖維膜等不同

17、形貌的納米材料。1.2 羥基磷灰石1.2.1 羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)與特性表1-1 羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)與特性化學(xué)式簡稱熔點密度溶解度Ca10(PO4)6(OH)2HAp16503.156g/cm30.4ppm鈣磷比折射率莫氏硬度形狀顏色1.671.64-1.655粉末或多孔顆粒白色晶系空間結(jié)構(gòu)空間群對稱型晶胞參數(shù)六方晶系六角柱體P63/mL6PCa=b=0.9418nmc=0.6884nm羥基磷灰石，又稱羥磷灰石，是鈣磷灰石Ca5(PO4)3(OH)的自然礦物化，常常寫成Ca10(PO4)6(OH)2的形式。羥基磷灰石的單位晶胞有10個Ca2+、6個PO43-、2個OH-，在羥基磷灰石結(jié)構(gòu)中，Ca2+

18、具有兩種不同的位置，分別是配位數(shù)為9的Ca（）位置和配位數(shù)為7的Ca（）位置4。在羥基磷灰石晶胞中，這兩種不同位置的Ca2+數(shù)量也不一樣，其中Ca（）位置的Ca2+數(shù)量為4個，位于Ca（）位置的Ca2+數(shù)量為6個。4個Ca（）位置的Ca2+與PO43-四面體中O相連組成Ca-O八面體，位于八面體中心。6個Ca（）位置Ca2+與PO43-四面體中的O相連，位于3個O組成的三配位體中心。至于羥基磷灰石中的OH-則位于由Ca2+和O形成的等邊三角形的中心。正是因為羥基磷灰石的晶胞結(jié)構(gòu)中存在通過Ca（）、Ca（）多面體連接起來的6個PO43-四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得羥基磷灰石具有比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。圖1-1 羥

19、基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)圖41.2.2 納米羥基磷灰石的制備方法經(jīng)科研工作者研究發(fā)現(xiàn)，納米級的羥基磷灰石相比常規(guī)羥基磷灰石具有更為優(yōu)異的性能，比表面積更大，吸附能力更強，溶解度更高，表現(xiàn)出更為優(yōu)異的穩(wěn)定性與生物相容性。目前，納米羥基磷灰石的的合成技術(shù)已經(jīng)相對成熟，制備納米羥基磷灰石的方法較多，主要分為兩大類，即為干法與濕法。1） 干法干法又名為固態(tài)反應(yīng)法，就是在高溫下進行固相反應(yīng)。該法對反應(yīng)溫度控制要求較高，反應(yīng)溫度通常控制在1200，通入水蒸氣進行固相反應(yīng)。目前常見的合成路線有：1200，水蒸氣Ca3(PO4)2+Ca4P2O9 HAp1200，水蒸氣CaCO3+Ca4P4O7 HAp1200，水

20、蒸氣Ca3(PO4)2+CaO HAp1200，水蒸氣Ca3HPO4+CaCO3 HAp在1200的燒結(jié)溫度下，反應(yīng)晶相為羥基磷灰石，而在1250的燒結(jié)溫度下，晶相為羥基磷灰石和磷酸三鈣5。這是由于羥基磷灰石在1250的燒結(jié)溫度下發(fā)生了分解反應(yīng)：1250Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6O + H2O（氣）12502Ca10(PO4)6O Ca3(PO4)2 + Ca2P2O7 + Ca4P2O9 2） 濕法濕法又包括了微乳液法、化學(xué)沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱合成法、自燃燒法等。微乳液法也就是由表面活性劑、助表面活性劑、碳氫化合物和水組成的透明的具有各相異性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。

21、該法操作簡便，所制備的納米羥基磷灰石粒徑分布較為均勻，但獲得適當?shù)奈⑷橐后w系存在一些問題。Lim6采用微乳液法，將CaCl2與(NH4)2HPO4分別制成微乳液，以環(huán)己醇為油相，正己醇為表面活性劑，將兩種微乳液混合后靜置一定時間后有沉淀物析出，用無水乙醇洗滌即可獲得20-40nm的羥基磷灰石粉末。化學(xué)沉淀法是利用可溶性鈣鹽和磷酸鹽溶液的復(fù)分解反應(yīng)來合成羥基磷灰石。這種方法優(yōu)點是操作簡單，缺點是所制備的羥基磷灰石顆粒粒徑不均勻，分散度比較低。利用沉淀法CUNEYT7等以Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4為原料，在一定條件下合成了高純度、平均粒徑約為50nm的羥基磷灰石粉末

22、。本文即采用該方法制備出羥基磷灰石納米粒子。水熱法是指在密閉反應(yīng)容器中，反應(yīng)介質(zhì)為水，在高溫高壓條件下進行化學(xué)反應(yīng)的方法。該法優(yōu)點是制備的羥基磷灰石粉體粒徑均勻，形態(tài)規(guī)則，缺點是反應(yīng)條件苛刻，能耗較大。利用水熱法，Guo8等在300的水熱條件下，制備出棒狀羥基磷灰石納米粒子。溶膠-凝膠法是利用易于水解的金屬無機鹽或金屬醇鹽，使其與水反應(yīng)，經(jīng)水解、聚合后形成溶膠，隨著水的加入溶膠進一步凝膠化，在真空環(huán)境下低溫干燥，再經(jīng)過高溫鍛燒處理即可得到納米級羥基磷灰石粉體。該法優(yōu)點是工藝流程簡單，加工溫度低，可以制備超細粉體，缺點是羥基磷灰石粉體粒徑分布范圍較寬，成本相對較高。利用溶膠-凝膠法，Kim9等以

23、Ca(NO3)2和(C2H5O)3P(O)為原料，制備出粒徑范圍在50- 150nm的羥基磷灰石納米粒子。自燃燒法是建立在在溶膠-凝膠法的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的方法，主要利用硝酸鹽與羧酸反應(yīng)，在低溫條件下進行原位氧化，自發(fā)燃燒快速合成納米羥基磷灰石產(chǎn)物的初級粉末。該方法具有操作簡單、制備周期短、產(chǎn)物分散性良好等優(yōu)點。利用自燃燒法，韓穎超10等以Ca(NO3)2、(NH4)2HPO4為原料，以檸檬酸為燃燒劑，制備了平均粒徑為85nm的羥基磷灰石納米粒子。1.2.3 離子摻雜納米羥基磷灰石與人工合成的羥基磷灰石相比，人體硬組織中的無機組分除了羥基磷灰石之外，還擁有各種陰離子與陽離子，例如羥基磷灰石中的鈣

24、離子被少量鎂離子、鈉離子、銀離子、鋅離子等金屬離子所替代，硫酸根離子容易被少量碳酸根離子、碳酸氫根離子所替代，氫氧根離子容易被少量的碳酸根離子、氟離子、硅離子所替代。盡管這些離子在硬組織中所占比重極小，某些離子其在硬組織的生化過程具有不可替代的作用。例如鋅離子是人體骨骼不可或缺的元素，一定濃度的鋅離子具有抗菌作用,人體中鋅離子含量在2-3g之間，而90%的鋅存在與人體肌肉與骨骼之中。本文采用沉淀法制備了鋅離子摻雜的羥基磷灰石納米粒子。1.2.4 納米羥基磷灰石的應(yīng)用1） 納米羥基磷灰石在藥物控釋領(lǐng)域中的應(yīng)用羥基磷灰石納米粒子具有良好的生物相容性、無毒無免疫原性、比表面積大、粘附性能強、可以結(jié)合

25、并傳遞藥物分子等優(yōu)異性能。將羥基磷灰石用于藥物載體系統(tǒng)，能夠有效提高藥物分子在生物膜中的透過性，有利于藥物透皮吸收并在細胞內(nèi)的發(fā)揮藥效11。Ljntema K12等采用納米羥基磷灰石晶粒包裹蛋白類藥物BSA，制備出具有緩釋功能的藥物控釋體系，進而證明羥基磷灰石能夠有效控制藥物的釋放速率。2） 納米羥基磷灰石在腫瘤領(lǐng)域中的應(yīng)用Hideki13等在進行體外細胞培養(yǎng)實驗時發(fā)現(xiàn)納米羥基磷灰石對正常細胞幾乎無影響。然而，Kannan14等研究發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石納米粒子可以導(dǎo)致腫瘤細胞大量凋亡。這是因為羥基磷灰石納米粒子的存在會提高鈣離子濃度，腫瘤細胞的超強鈣攝入能力導(dǎo)致攝入大量Ca2+，導(dǎo)致腫瘤細胞內(nèi)Ca

26、2+濃度上升，Ca2+進一步激活細胞內(nèi)Ca2+/Mg2+依賴性核酸內(nèi)切酶，最終導(dǎo)致DNA降解，腫瘤細胞凋亡。3） 納米羥基磷灰石在骨組織工程中的應(yīng)用納米羥基磷灰石與人體硬組織具有極為相似的結(jié)構(gòu)，擁有良好的生物相容性，但是單一的納米羥基磷灰石存在抗彎曲強度低、脆性大、抗疲勞性差等問題，其機械性能不足以滿足人體硬組織的要求。而納米羥基磷灰石-高分子復(fù)合材料在一定程度上能改善某些性能，因此納米羥基磷灰石-高分子復(fù)合材料在骨組織工程中具有極為廣闊的應(yīng)用前景。本文利用靜電紡絲法將鋅離子摻雜的羥基磷灰石納米粒子與PLGA共混制備出作為骨細胞支架材料的Zn-HAp/PLGA復(fù)合靜電紡絲膜。 1.3 靜電紡絲

27、1.3.1 靜電紡絲的起源與發(fā)展近年來，靜電紡絲技術(shù)發(fā)展迅速，隨著靜電紡絲技術(shù)的日趨成熟，利用靜電紡絲技術(shù)制備納米材料已經(jīng)逐步成為研究熱點。該法操作簡單，可以通過靜電紡絲法獲取直徑極小的納米纖維，制備納米管、納米纖維膜等不同形貌的納米材料。事實上，靜電紡絲近似靜電霧化的拓展，靜電紡絲體系是建立在靜電霧化技術(shù)的理論依據(jù)和基礎(chǔ)之上。靜電紡絲與靜電霧噴主要區(qū)別區(qū)別是工作介質(zhì)不一樣，靜電紡絲工作介質(zhì)是粘度較高，屬于非牛頓流體，而靜電霧化工作介質(zhì)是粘度較低，屬于牛頓流體。1882年，Realign15經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)了液滴在電場中存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象。當所受表面張力無法抵抗外加電場力時，懸在噴口的液滴就會劈裂成一

28、串的帶電小液滴。1917年，Zeleny16在經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)以水作溶劑與乙醇作溶劑相比，不穩(wěn)定現(xiàn)象的電壓增高。1934年，F(xiàn)ormalas17發(fā)明了用靜電力制備聚合物纖維的實驗裝置并申請了專利，其專利公布了聚合物溶液如何在電極間形成射流，這是首次詳細描述利用高壓靜電來制備纖維裝置的專利，被公認為是靜電紡絲技術(shù)制備纖維的開端。1964年Taylor18經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當液滴的電場力和表面張力二者處于平衡時，就會形成一個49.3°的角，即泰勒錐。1971年，Baumgarten19以丙烯腈樹脂/DMF溶液為紡絲液，通過靜電紡絲獲取纖維，通過實驗驗證了纖維的長度與溶液的粘度正相關(guān)。隨著社會的進步、科

29、學(xué)技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)近年來發(fā)展迅速，經(jīng)科研人員大量實驗基本確定了靜電紡絲過程中影響纖維結(jié)構(gòu)和形態(tài)的因素。同時，研究的領(lǐng)域進一步拓展，這包括單一組分納米纖維和復(fù)合納米纖維。而本文則利用靜電紡絲法制備了Zn-HAp/PLGA復(fù)合納米纖維膜。1.3.2 靜電紡絲原理靜電紡絲是一種特殊的纖維制造工藝，聚合物溶液或熔體在強電場中進行噴射紡絲。在電場作用下，針頭處的液滴會由球形變?yōu)椤疤├斟F”，經(jīng)溶劑蒸發(fā)和熔體冷卻固化延展得到纖維細絲。這種方式可以生產(chǎn)出納米級直徑的聚合物細絲。圖1-1 靜電紡絲原理圖1.3.3 靜電紡絲設(shè)備實驗設(shè)備主要包括三個部分，分別為高壓直流電源、紡絲裝置和接收裝置三個主要部分。

30、紡絲裝置可分為單通道與多通道，單通道的紡絲裝置紡絲效率低，若需要一次紡絲中得到大量產(chǎn)物，一般采用多通道紡絲裝置。靜電紡絲的接收裝置種類較多，最常見的為金屬板接收裝置與滾筒式接收裝置，本文中采用的極為該法。但這一類接收裝置所制備的纖維膜纖維取向雜亂無章，導(dǎo)致纖維膜的內(nèi)部應(yīng)力情況極為復(fù)雜，不易測試其力學(xué)性能，一般通過其單根或數(shù)根纖維力學(xué)拉伸來測試其力學(xué)性能。滾筒式接收裝置，即利用一定轉(zhuǎn)速的滾筒來作接收裝置，利用滾筒可以制備具有單一走向的纖維膜，使得纖維膜內(nèi)部應(yīng)力不復(fù)雜，可做纖維膜的力學(xué)拉伸實驗，易檢測其力學(xué)性能。圖1-2 高壓直流電源 （a） （b）圖1-3 （a）單通道注射泵，（b）雙通道注射泵

31、1.3.4 靜電紡絲影響因素靜電紡絲的影響因素很多，包括溶液性質(zhì)、操作因素、環(huán)境因素等等。溶液性質(zhì)主要包括溶劑、聚合物、表面張力等，操作因素包括電壓、接收距離、溶液噴射流速等，環(huán)境因素主要是空氣濕度。1） 溶劑溶劑的選擇主要依據(jù)聚合物性質(zhì)進行選擇。在選擇溶劑時，一般要考慮溶劑的揮發(fā)性以及聚合物在所選取的溶劑的溶解性，同時還需要考慮所選擇的的溶劑與聚合物分子鏈之間的化學(xué)鍵作用，一般來說，揮發(fā)性高的溶劑更有利于獲得直徑均勻的纖維，聚合物在溶劑中的溶解性可直接影響到成絲與否，所選溶劑與聚合物分子鏈的相互作用越小就越有利于獲得直徑更小的纖維。2） 溶液的濃度和粘度溶液濃度過低會導(dǎo)致溶液粘度偏低，進而導(dǎo)

32、致紡絲過程中射流不穩(wěn)定，所得纖維直徑不均一、串珠較多，甚至有可能不成絲。溶液濃度過高則導(dǎo)致溶液粘度偏大，容易出現(xiàn)堵針頭現(xiàn)象。不同聚合物與不同溶劑的組合均有其可紡的濃度范圍。一般來說，在紡絲液可紡的濃度范圍內(nèi)，濃度越低，則纖維直徑越小，但纖維直徑不均一；濃度越高，則纖維直徑越大，而纖維直徑相對均一。3） 聚合物相對分子質(zhì)量聚合物的相對分子質(zhì)量大小是其靜電紡絲成絲與否的重要因素之一。聚合物的相對分子質(zhì)量過低時難以成絲，這是因為分子鏈缺乏足夠的纏繞能力。當聚合物相對分子質(zhì)量過高時，所獲得的纖維直徑過大。A. Koski等人20經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)聚合物相對分子質(zhì)量為2萬左右最適合用于靜電紡絲。4） 溶液表面張

33、力表面張力通常是產(chǎn)生串珠的主要因素，纖維上的串珠會會影響纖維的形貌，進而影響其性能。為了獲得無串珠出現(xiàn)的纖維，就要降低紡絲液的表面張力。通常采取的措施有：在紡絲液中加入表面張力小的溶劑或者加入表面活性劑。5） 溶液導(dǎo)電率 在靜電紡絲的過程中，溶液的拉伸是由于紡絲液表面電荷在靜電場中的電場力所導(dǎo)致的，溶液的電導(dǎo)率不同纖維的直徑、形貌、可紡性。一般情況下，為了提高溶液的可紡性可以在溶液中加入少量的電解質(zhì)，從而減小纖維的直徑。6） 電壓電壓對靜電紡絲的影響比較復(fù)雜，不同科研工作者經(jīng)不同的實驗所得到的規(guī)律并不一致。Buchko21等進行蛋白質(zhì)溶液的靜電紡絲實驗發(fā)現(xiàn)增大電壓可以使減小纖維直徑。然而，De

34、mir22經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)隨電壓的增大，纖維的直徑也隨之增大。而Reneker23在聚氧乙烯的靜電紡絲時卻發(fā)現(xiàn)纖維的直徑并不隨電壓的變化而變化。電壓的大小還會影響串珠纖維的形成，電壓越高，串珠越多，串珠形狀也從紡錘體向球體變化。同時，電壓的大小會產(chǎn)生影響纖維結(jié)晶度，電壓越高，纖維結(jié)晶度越低。7） 接收距離接收距離也就是針頭噴口與接收裝置的距離。在靜電紡絲過程，接收距離可以影響到溶劑的揮發(fā)，從而影響纖維的直徑與形貌。當其他條件一定時，接收距離越大，纖維直徑越小且直徑分布更均勻。這是因為其他條件一定的情況下，接收距離越大，場強降低，溶液射流飛行時間變長，溶劑得以充分揮發(fā)。但接收距離過大，場強下降過大，影

35、響射流拉伸速度和溶劑的揮發(fā)，最終導(dǎo)致所得纖維中有殘留溶劑。8） 溶液流速紡絲溶液的噴射速度主要影響溶劑的揮發(fā)。溶液流速過快，射流的飛行時間過短，溶劑無法完全揮發(fā)，導(dǎo)致所得纖維中有殘留溶劑。而溶液的流速過慢，則可能導(dǎo)致射流拉伸速度受影響，所得纖維不連續(xù)。1.3.5 靜電紡絲納米纖維的應(yīng)用納米纖維具有極高的比表面積和孔隙率，有利于細胞的粘附，故而可以作為組織工程中的細胞支架材料，較高的比表面積使得納米纖維可作為吸附媒介與生物化學(xué)防護服。同時，納米纖維在傳感器材料、導(dǎo)電材料、超疏水材料等方面也具有極為廣闊的應(yīng)用前景。1.4 本文的研究目的、主要內(nèi)容及創(chuàng)新性1.4.1 本文的研究目的作為骨修復(fù)材料，羥

36、基磷灰石近來一直是研究的熱點。人工合成的羥基磷灰石與人體硬組織相比，缺乏某些離子,以至于無法完全替代人體硬組織。鋅離子是人體骨骼不可或缺的元素，一定濃度的鋅離子具有抗菌作用,而且對于骨生長具有誘導(dǎo)作用。人體中鋅離子含量在2-3g之間，而90%的鋅存在與人體肌肉與骨骼之中,人工合成的羥基磷灰石往往缺乏鋅離子。因此，模擬人體骨組織中膠原與羥基磷灰石的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在制備羥基磷灰石的過程中摻雜一定量的鋅離子以制備出Zn-HAp，同時利用靜電紡絲法制備出Zn-HAp/PLGA復(fù)合納米纖維膜，并將該復(fù)合材料應(yīng)用到骨修復(fù)治療中。1.4.2 本文的研究內(nèi)容本文研究內(nèi)容主要包括三個方面：（1）HAp與Zn-HAp

37、的制備。本文主要采用化學(xué)沉淀法來制備HAp與Zn-HAp，在制備HAp的基礎(chǔ)上，用一定量的鋅鹽代替少量的鈣鹽進行反應(yīng)即可制備鋅離子摻雜的HAp。制備出HAp與Zn-HAp之后對兩者進行表征，對比二者理化性能。（2）探索PLGA的靜電紡絲條件。本文中通過靜電紡絲實驗探索PLGA的紡絲溶劑、聚合物濃度、紡絲電壓。部分參數(shù)設(shè)定為流速1mL/h，液量1mL，在PLGA的紡絲溶劑的選擇上，在其他條件一定在溶劑不同條件下，以纖維形貌為指標進行選擇，最終選取丙酮/DMF混合溶劑作為紡絲液溶劑。在聚合物濃度的探索中，通過改變聚合物濃度進行靜電紡絲，以纖維形貌為指標進行選擇，最終選擇了聚合物濃度為20%（w/t

38、%）。對于紡絲電壓，通過改變紡絲電壓進行靜電紡絲，以纖維形貌為指標進行選擇，最終選擇了14kV的紡絲電壓。（3）制備PLGA、HAp/PLGA、Zn-HAp/PLGA纖維膜。通過靜電紡絲法制備PLGA、HAp/PLGA、Zn-HAp/PLGA纖維膜，并且在三者之間進行微觀與宏觀上的比較，并且討論其在骨組織工程中的應(yīng)用前景。1.4.3 本文的創(chuàng)新性本文基于化學(xué)沉淀法制備HAp的基礎(chǔ)上以鋅鹽代替部分鈣鹽的方法制備鋅離子摻雜的HAp，并通過靜電紡絲的方法將其制備成納米復(fù)合纖維骨修復(fù)材料應(yīng)用于骨修復(fù)治療中。1.5 本章小結(jié)本章簡要介紹骨修復(fù)的所面臨的問題與骨組織工程的概念，還介紹羥基磷灰石結(jié)構(gòu)與各方面

39、性能、制備方法以及在骨組織工程中的應(yīng)用前景。同時，介紹了靜電紡絲的起源與發(fā)展以及靜電紡絲纖維的應(yīng)用前景，在本章的最后，還介紹了本文的研究目的、研究內(nèi)容、創(chuàng)新性。第二章 HAp的制備與Zn-HAp的制備第二章 HAp的制備與Zn-HAp的制備2.1 引言本實驗是采用化學(xué)沉淀法來制備HAp與Zn-HAp，化學(xué)沉淀法是利用可溶性鈣鹽和磷酸鹽溶液的復(fù)分解反應(yīng)來合成羥基磷灰石。以CaCl2和Na2HPO4為反應(yīng)物，根據(jù)如下反應(yīng)式制備羥基磷灰石： 5CaCl2·2H2O+3Na2HPO4+4OH-=Ca5(PO4)3OH+6NaCl+13H2O+4Cl-根據(jù)該反應(yīng)式，本實驗還制備了鋅離子摻雜的羥

40、基磷灰石（Zn-HAp）。羥基磷灰石的鈣磷比為1.67，故而維持摩爾比n（Zn+Ca）/n（P）=1.67的前提下本實驗中加入少量ZnCl2代替部分CaCl2進行反應(yīng)用以制備鋅離子摻雜的羥基磷灰石。2.2 實驗試劑與設(shè)備儀器2.2.1 實驗試劑表2-1 主要實驗試劑實驗試劑產(chǎn)地CaCl2廣州化學(xué)試劑廠ZnCl2天津市大茂化學(xué)試劑廠Na2HPO4廣州化學(xué)試劑廠NaOH國藥集團化學(xué)試劑有限公司PAA上海瑞永生物科技有限公司2.2.2 實驗設(shè)備儀器表2-2 主要實驗設(shè)備儀器設(shè)備名型號產(chǎn)地電子天平BSA2245-CW德國Sartorius公司Millipore超純水系統(tǒng)Mill-Q Advantage

41、s A10 System美國Millipore公司超聲波清洗機SG3200HBT上海冠特超聲儀器有限公司磁力攪拌器84-1A上海司樂儀器有限公司實驗室pH計FE20梅特勒-托利多儀器有限公司低速離心機L-530湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司Malvern激光粒度儀及Zeta電位儀Zetaszier Nano-ZS90英國Malvern公司注射泵控制器TJ-3A保定蘭格恒流泵有限公司2.3 實驗部分2.3.1 化學(xué)沉淀法制備HAp1）配制50mL濃度為 5mg/mL的PAA水溶液，50mL濃度為2M的NaOH溶液備用。2）準確稱取110mgCaCl2粉末加到9mL水中充分溶解，再加入1mL濃度為

42、5mg/mL的PAA水溶液，得到10mL濃度為0.1M的CaCl2溶液。3）再稱取85.2 mg Na2HPO4粉末加入90mL水中，在200rpm轉(zhuǎn)速下充分攪拌溶解，同時加入10mL 5mg/mL的PAA水溶液，得到100mL濃度為0.006M的Na2HPO4溶液。用實驗室pH計測Na2HPO4溶液的pH值，同時用濃度為2M的NaOH溶液將Na2HPO4溶液pH值調(diào)節(jié)至10。用10mL注射器吸取10mL CaCl2溶液，用注射泵控制器將灌注速度控制在0.5mL/min，將10mL CaCl2溶液逐滴加入到Na2HPO4溶液中，在反應(yīng)過程中緩慢加入濃度為2M的NaOH溶液使得溶液一直維持在pH

43、=10的狀態(tài)。4）灌注20min后，反應(yīng)結(jié)束，攪拌速度不變，pH維持為10的條件下繼續(xù)攪拌30min。30min后，反應(yīng)液在1500rpm轉(zhuǎn)速下離心5min，取沉淀，去上清液，用超純水洗滌三次。三次洗滌后留樣測粒徑與電位，將其余樣品置于-80冰箱凍結(jié)，之后置于冷凍干燥機中冷凍干燥24h，即可獲得HAp粉體。2.3.2 化學(xué)沉淀法制備Zn-HAp準確稱取105.4mg CaCl2粉末與6.8mg ZnCl2，二者摩爾比為95:5，一起加到9mL水中充分溶解，再加入1mL濃度為5mg/mL的PAA水溶液，得到10mL濃度為0.1M的CaCl2/ZnCl2混合溶液，重復(fù)上述步驟3、步驟4制備Zn-H

44、Ap粉體。，2.3.3 HAp與Zn-HAp的FTIR分析取足量溴化鉀放到烘箱中烘1h，充分研磨后壓制成溴化鉀空白片備用。稱取5mg凍干后的HAp粉末，按樣品與溴化鉀質(zhì)量比1:100計算后稱取500mg溴化鉀，放到烘箱中烘1h，混合研磨，壓片，將壓好的空白片與樣品片進行FTIR檢測。稱取5mg凍干后的Zn-HAp粉末，重復(fù)上述步驟。 2.4 結(jié)果與討論2.4.1 HAp與Zn-HAp的粒徑與電位檢測結(jié)果圖2-1 HAp的粒徑分布柱狀圖圖2-2 Zn-HAp的粒徑分布柱狀圖表2-3 HAp與Zn-HAp的粒徑與電位SampleSize/nmPdIZeta/mVHAp 241±310.2

45、14±0.103-17.5±0.40Zn-HAp197±190.102±0.037-17.9±0.2由圖2-1 HAp的粒徑分布柱狀圖、圖2-2 Zn-HAp的粒徑分布柱狀圖中可以看出，化學(xué)沉淀法所制備出來的羥基磷灰石納米粒子粒徑分布相對集中，但分布范圍比較寬，存在比較大的微球。由表2-3 HAp與Zn-HAp的平均粒徑與平均電位對比圖表可知， HAp的平均粒徑與Zn-HAp的平均粒徑相差不大。雖然鋅離子的粒子半徑比較小，但是鋅離子的加入只是影響了晶胞的大小，而在微球體系中微球是多個單一粒子所組成的，Malvern激光粒度儀及Zeta電位儀所檢

46、測的是微球的粒徑，而非晶胞的直徑，因而鋅離子的加入理論上對粒徑與電位檢測的結(jié)果影響不大。2.4.2 HAp與Zn-HAp FTIR分析 （a） （b）（c）圖2-3 （a）HAp IR圖，（b）Zn-HAp IR圖，（c）HAp與Zn-HAp IR對比圖從圖可知，HAp與Zn-HAp兩條紅外吸收曲線基本重疊，這說明無論是峰位還是峰強，HAp與Zn-HAp的紅外吸收峰基本一致。由以上紅外光譜圖分析可知，HAp與Zn-HAp均在568cm-1、1060cm-1、1417cm-1、1576cm-1、3411cm-1這五處分別出現(xiàn)較強紅外吸收峰。568cm-1處的吸收峰對應(yīng)的是PO43-的彎曲振動峰，

47、1060cm-1處的吸收峰是PO43-的伸縮振動峰，1417cm-1、1576cm-1附近的強吸收峰可能是PAA所引起的紅外吸收峰。以上光譜圖中在3411cm-1處的出現(xiàn)吸收峰是OH-伸縮振動峰，主要是由水與羥基磷灰石中的羥基所引起的。從以上光譜圖中可以得知，HAp與Zn-HAp的化學(xué)結(jié)構(gòu)中都存在PO43-的特征吸收峰，這與已知的HAp化學(xué)式Ca10(PO4)6(OH)2相吻合。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了化學(xué)沉淀法制備HAp的原理與流程，同時在HAp的制備基礎(chǔ)上想以鋅鹽部分代替鈣鹽來制備Zn-HAp，并且對兩者的粒徑與電位進行對比，并且分析其差異原因所在。對HAp、Zn-HAp都進行了紅外

48、表征，通過二者的紅外光譜圖分析羥基磷灰石的基團。對于Zn-HAp的鋅離子定性檢測，取足量首次離心的上清液，用原子吸收檢測鋅離子濃度，低于所加入鋅離子濃度（0.0045M），說明缺少的鋅離子參與了反應(yīng)，合成了Zn-HAp。取樣Zn-HAp粉體懸浮，用原子吸收定性檢測鋅離子也可證明鋅離子參與反應(yīng)。第三章 PLGA靜電紡絲探究第三章 PLGA靜電紡絲探究3.1 引言靜電紡絲是一種特殊的纖維制造工藝，聚合物溶液或熔體在強電場中進行噴射紡絲。在電場作用下，針頭處的液滴會由球形變?yōu)椤疤├斟F”，經(jīng)溶劑蒸發(fā)和熔體冷卻固化延展得到纖維細絲。這種方式可以生產(chǎn)出納米級直徑的聚合物細絲。靜電紡絲的影響因素很多，包括溶

49、液性質(zhì)、操作因素、環(huán)境因素等。靜電紡絲實驗室中常常通過溶劑的選擇以及調(diào)節(jié)聚合物濃度、電壓、接收距離、溶液流速等可控因素來對靜電紡絲纖維的形貌進行優(yōu)化。在本章中，主要探究溶劑的選擇、聚合物的濃度、紡絲電壓對靜電紡絲所制備出來的纖維形貌有何影響，并且以所制備出來的纖維形貌作為觀察指標，對溶劑、聚合物的濃度、紡絲電壓進行篩選，探索出最適宜的靜電紡絲條件。3.2 實驗試劑表3-1 主要實驗試劑試劑產(chǎn)地PLGA（M=70000，PLA/PGA=50:50）濟南岱罡生物工程有限公司丙酮廣州化學(xué)試劑廠四氫呋喃（THF）廣州化學(xué)試劑廠N,N-二甲基甲酰胺（DMF）廣州化學(xué)試劑廠3.3 實驗部分3.3.1 PL

50、GA靜電紡絲溶劑與溶液濃度的探究1）紡絲液的配制稱取0.075g、0.090g、0.100g、0.110g PLGA固體，分別溶于0.5mL體積比為3:1的丙酮與DMF混合溶劑中，得到PLGA濃度分別為15%、18%、20%、22%的均勻溶液。分別稱取0.075g、0.090g、0.100g、0.110g PLGA固體，分別溶于0.5mL體積比為3:1的THF與DMF混合溶劑中，得到PLGA濃度分別為15%、18%、20%、22%的均勻溶液。2）PLGA的靜電紡絲設(shè)定參數(shù)為電壓12kV，流速1mL/h，液量0.5mL，接收距離21cm。分別取已配制的紡絲液進行紡絲，記錄紡絲現(xiàn)象與接樣在顯微鏡下

51、觀察。3）結(jié)果與討論表3-2 丙酮/DMF與THF/DMF混合溶劑紡絲現(xiàn)象與顯微形貌PLGA濃度（%）紡絲現(xiàn)象與顯微形貌 （丙酮：DMF=3:1）紡絲現(xiàn)象與顯微形貌（THF：DMF=3:1）15 液滴，不成絲，針頭不堵液滴，不成絲，針頭不堵18 液滴，不成絲，針頭不堵液滴，不成絲，針頭不堵20 纖維直徑較小，光滑無串珠，針頭不堵，纖維直徑均勻度較低纖維直徑較小，有大量串珠，針頭不堵，纖維直徑不均一22纖維直徑變大，無串珠結(jié)構(gòu)，直徑均勻度略高，針頭略堵纖維直徑變大，少量串珠，針頭略堵 （a）丙酮/DMF溶劑，X10 （d）THF/DMF溶劑，x10 （b）丙酮/DMF溶劑x20 （e）THF/D

52、MF溶劑，x20 （c）丙酮/DMF溶劑，x40 （f）THF/DMF溶劑，x40圖3-1 20% PLGA濃度下，不同溶劑的PLGA纖維膜的光鏡圖 隨著PLGA的濃度升高，顯微鏡下觀察纖維直徑逐漸變大。同時隨著PLGA濃度升高，溶液粘度變大，紡絲過程由不堵針頭變?yōu)槎箩橆^。溶劑的選擇上，加入DMF是為了來提高溶劑導(dǎo)電率，再對比相同PLGA濃度下的丙酮/DMF與THF/DMF混合溶劑，前者所紡出來的纖維直徑更小，而且THF與丙酮相比，THF毒性更大，故而本實驗中采用丙酮/DMF混合溶液作為PLGA的溶劑。對于PLGA的濃度選擇上，雖然20%濃度的PLGA丙酮溶液所紡出來的纖維直徑均勻度較低，但是

53、與22%濃度相差不太大，完全可通過調(diào)節(jié)電壓達到與22%濃度纖維直徑均勻度。為了獲取直徑更小的纖維，本實驗采用20%的PLGA濃度。 3.3.2 PLGA靜電紡絲的電壓1） 紡絲液的配制稱取0.100g PLGA固體，溶于0.5mL體積比為3:1的丙酮與DMF混合溶劑中，通過磁力攪拌機將PLGA均勻溶于溶劑中，得到PLGA濃度分別為20%的均勻溶液。2） PLGA的靜電紡絲設(shè)定參數(shù)為流速1mL/h，液量0.5mL，接收距離21cm。取已配制的紡絲液進行紡絲，在紡絲過程調(diào)節(jié)電壓分別為10kV、12kV、14kV，并且分別用玻片接樣在顯微鏡下觀察其形貌。表3-3 不同電壓下PLGA靜電紡絲的顯微形貌

54、電壓/kV顯微形貌10有少量紡錘體出現(xiàn)12光滑無紡錘體，纖維直徑不均一14光滑無紡錘體，纖維直徑相對均一3） 結(jié)果與討論相比10kV、12kV，電壓為14kV下的纖維在顯微鏡下具有更良好的形貌，其纖維直徑比10kV、12kV條件下的纖維直徑顯得更均勻。因此，本文中的PLGA靜電紡絲的后續(xù)實驗電壓定為14kV。3.4 PLGA纖維膜的SEM結(jié)果 (a) (b)(c)圖3-2 PLGA纖維膜的TEM圖 以上三張SEM圖所表征的都是同一張纖維膜，（a）為低倍TEM圖，（b）、（c）為高倍TEM圖。低倍下觀察發(fā)現(xiàn)這張纖維膜上的紡錘體較多，纖維聚集現(xiàn)象比較明顯，從高倍下觀察可發(fā)現(xiàn)纖維直徑不均一纖維粗細不一。3.5 本章小結(jié) 本章簡要介紹了靜電紡絲的原理與影響靜電紡絲的因素，并且采用控制變量的方法來對靜電紡絲的溶劑、聚合物濃度、紡絲電壓進行篩選，簡要證明了溶劑、聚合物濃度、紡絲電壓等因素對靜電紡絲的影響極其變化所造成纖維形貌所呈現(xiàn)出來的規(guī)律性變化。第四章 HAp/PLGA、Zn-HAp/PLGA靜電紡絲纖維膜的制備第四章 HAp/PLGA、Zn-HAp/PLGA纖維膜的制備4.1 引言在之前靜電紡絲實驗的基礎(chǔ)上，本章用靜電紡絲法制備HAp與PLGA的復(fù)合纖維膜，Zn-HAp與PLGA的復(fù)合