生物活性玻璃(Bioglass)是目前唯一能同時(shí)和骨組織、軟組織相結(jié)合的骨修復(fù)材料,其具有很高的生物活性。碳納米纖維(Carbon nano-fiber)因其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、大的比表面積、穩(wěn)定的化學(xué)性以及易被表面官能化等性能,目前已經(jīng)成為眾多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。基于這兩種材料的性能優(yōu)勢(shì),本研究結(jié)合溶膠一凝膠法和靜電紡絲法,再經(jīng)過(guò)水解、預(yù)氧化和高溫碳化過(guò)程,成功制備得到了具有高生物活性和優(yōu)異的機(jī)械性能的生物活性玻璃摻雜碳納米纖維(Bioglass@CNF)復(fù)合納米材料,并通過(guò)改變?nèi)苣z前驅(qū)體體系的陳化時(shí)間和生物玻璃的鈣磷比,分別探究了其對(duì)Bioglass@CNF復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)演變及生物學(xué)性能的影響機(jī)制。本文系統(tǒng)研究了溶膠前驅(qū)體體系的陳化時(shí)間與Bioglass@CNF復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)演變及生物學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性。首先采用粘度分析儀、激光粒度分析及核磁共振分析(NMR)對(duì)陳化不同時(shí)間的純玻璃溶膠一凝膠過(guò)程體系粘度和元素結(jié)合情況進(jìn)行了分析,再結(jié)合光學(xué)顯微鏡直觀觀察了其形成過(guò)程。結(jié)果表明前驅(qū)體溶膠凝膠體系中隨著陳化時(shí)間的變化,主要發(fā)生硅氧網(wǎng)絡(luò)的縮合與團(tuán)聚,陳化時(shí)間越長(zhǎng)溶膠-凝膠的網(wǎng)絡(luò)越完善,體系的粘度呈增大趨勢(shì),而對(duì)應(yīng)的體系粒徑因網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合而在前4天表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),到第四天以后,溶膠-凝膠網(wǎng)絡(luò)發(fā)生團(tuán)聚,從而表現(xiàn)出粒徑逐漸減小的結(jié)果；對(duì)應(yīng)的核磁分析可以看到體系的Si-O-Si結(jié)構(gòu)是逐漸增多的,也表明硅氧網(wǎng)絡(luò)的縮合團(tuán)聚隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)逐步完善。由此,實(shí)驗(yàn)后期選取了具有代表意義的陳化1,4,7天陳化了前驅(qū)體紡絲液,經(jīng)靜電紡絲和高溫碳化后得到Bioglass@CNF復(fù)合材料,再結(jié)合掃描(SEM)、透射(TEM)及高分辨(HR-TEM)電鏡和傅里葉紅外光譜分析(FTIR)、X-射線衍射儀(XRD)對(duì)Bioglass@CNF形態(tài)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析表征。結(jié)果顯示,陳化時(shí)間較短時(shí)主要生成無(wú)定形的硅酸鈣,隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)逐步生成結(jié)晶的硅酸鈣,但陳化時(shí)間過(guò)長(zhǎng),雖然生成的硅酸鈣結(jié)晶越明顯,但也伴隨著結(jié)晶二氧化硅的生成。此外,礦化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,陳化時(shí)間較短時(shí)生成的大量無(wú)定形硅酸鈣的溶解速率快于結(jié)晶硅酸鈣,表現(xiàn)出最快的HCA結(jié)晶生長(zhǎng)速率,而陳化時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),對(duì)應(yīng)的硅酸鈣結(jié)晶越完善,越不容易發(fā)生溶解,使得其生成的HCA的速率也越慢。與此同時(shí),陳化時(shí)間為7天時(shí),因其Bioglass@CNF體系中不均勻的玻璃粒子的存在,導(dǎo)致前期生成的HCA的分布也不均。此外,本文還系統(tǒng)研究了溶膠前驅(qū)體體系的鈣磷比(Ca/P)與Bioglass@CNF復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)演變及生物學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性。利用SEM, TEM, XRD和FTIR對(duì)其玻璃陶瓷粒子形成情況進(jìn)行了分析表征,結(jié)果表明,Ca/P為1.0時(shí),體系中主要生成無(wú)定形的磷酸鈣和少量的結(jié)晶硅酸鈣；Ca/P為1.67時(shí),主要生成結(jié)晶的硅酸鈣；而Ca/P為2.5時(shí),生成的硅酸鈣結(jié)晶更加完善,但同時(shí)伴隨著結(jié)晶氧化鈣的出現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,將不同Ca/P的Bioglass@CNF的材料進(jìn)行了生物體外礦化和細(xì)胞培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn),經(jīng)SEM觀察和XRD、FTIR分析表明,鈣磷比越小材料的生物礦化和細(xì)胞相容性越好,鈣磷比越大對(duì)應(yīng)體系生成的氧化鈣具有一定的細(xì)胞毒性,不利于生物礦化和細(xì)胞的培養(yǎng)。
【學(xué)位單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TQ342.742;TB33
【部分圖文】：

３９％）這兩部分組成。而ＣＮＦ的結(jié)構(gòu)并非完美無(wú)缺的，下圖可見(jiàn)，碳納米纖??表面或者內(nèi)部都會(huì)存在或多或少的裂紋、凸起、空洞等，其內(nèi)部芯層的排列層??無(wú)規(guī)狀態(tài)。通過(guò)偏光顯微鏡觀察可知：ＣＮＦ內(nèi)部芯層的微晶尺寸比外部皮層的??，石墨化的程度更低，外部皮層的取向呈圓周方向排列，目日：既平行于纖維軸，??著纖維表面分布；而從外至內(nèi)，晶體的尺寸越來(lái)越小，而微晶的排列也愈加奈??由此認(rèn)為，ＣＮＦ在納米尺度上是＂亂層的石墨結(jié)構(gòu)＂口氣??

?近年來(lái)，伴隨納米技術(shù)的飛快發(fā)展，納米材料己成為新型的革命性材料。而納米材料（碳納米管、碳納米纖維、石墨婦、富勒稀及其衍生物等）具備獨(dú)特的化特性，已成為納米材料領(lǐng)域的重要部分，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景不可小勵(lì)。??（１）骨組織工程??如圖１－２所示，人體中含有多種骨的種類形態(tài)，在不同部位承載著不同的功效，而作為骨骼的天然組織成分之一的徑基磯灰石（ＨＡ），其在生理環(huán)境下能保持穩(wěn)的性能，是目前骨組織工程領(lǐng)域研究頗為廣泛的材料。但是，根據(jù)研究者們現(xiàn)有硏究結(jié)果可知，純ＨＡ雖然具有相當(dāng)高的生物活性，但其卻不能被用于做承重的入材料，歸因于它的力學(xué)性能較差。而納米級(jí)的材料（如碳納米管、碳納米纖維等）能為骨細(xì)胞的貼附和增殖提供良好的支撐，其易被骨細(xì)胞黏附的同時(shí)，還能分泌到利于細(xì)胞分化生長(zhǎng)的成骨分化因子，除此之外，納米的ＨＡ還能為在巧化成骨給骨細(xì)胞提供一定的晶核，由此起到骨傳導(dǎo)的良好作用Ｗ。目前相關(guān)的研究結(jié)果經(jīng)證實(shí)，將ＣＮＴ或者ＣＮＦ復(fù)合ＨＡ得到的復(fù)合材料，不僅可Ｗ保持材料的高生活性、細(xì)胞相容性，還能很大程度地提高材料的力學(xué)性能Ｗ。??

表１－３靜電紡絲的工藝參數(shù)??Ｔａｂｌｅ?１－３?Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ???紡絲液性質(zhì)?環(huán)境參數(shù)?可控變量???聚合物種類及分子量?疏?ｉＳ??溶劑的沸點(diǎn)、極性和揮發(fā)性?濕度?紡絲液流速??紡絲液粘度、電導(dǎo)率和表面張力?空氣流速?收集距離和相關(guān)參數(shù)??（轉(zhuǎn)速、溫度等）??靜電紡絲的裝置如圖１－４所示：受高壓直流電的作用，聚合物溶液帶上成千上??萬(wàn)伏的靜電，由于電場(chǎng)的作用，使其在紡絲的噴射口出形成獨(dú)特的泰勒（Ｔａｙｌｏｒ）??錐１１＾，電場(chǎng)力逐漸增大，至能克服溶液自身的內(nèi)部張力時(shí)，便形成噴射的細(xì)流，該??細(xì)流因靜電作用而加速，至分裂得到更細(xì)的細(xì)流簇，噴射于收集器上，隨著溶劑的??揮發(fā)其凝結(jié)為微絲，最終Ｗ無(wú)紡布的形式收集在收集器上，由此便得到了直徑在幾??十ｎｍ到幾Ｕ?ｍ的纖維往結(jié)構(gòu)ｆｉｓ’Ｗ。??ａ??
【參考文獻(xiàn)】

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1 趙立;吳強(qiáng);韓若冰;吳江;姚偉峰;;納米碳纖維及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2013年21期

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1 國(guó)麗娟;Bioglass@CNF中生物活性玻璃納米粒子的成核生長(zhǎng)行為及生物學(xué)性能的研究[D];北京化工大學(xué);2013年

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