论文部分内容阅读
羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)的化学成分、晶体结构与人体骨组织中的磷酸钙盐相似,因而具有优异的生物相容性和生物活性,在骨的缺损修复以及硬组织植入假体方面有着十分广阔的应用前景。然而,HA的本征脆性及其本征脆性所导致的低摩擦磨损性能,直接制约了其作为硬组织假体替换材料植入人体后服役的可靠性。所以,采取第二相材料对单相HA进行增韧是改善其断裂韧性、确保其可靠服役的关键。石墨烯不仅具有优异的力学性能,而且具有非常大的比表面积,是一种理想的增韧材料。本课题组前期采用放电等离子烧结技术(spark plasma sintering,SPS)开展了石墨烯纳米片(graphene nanosheet,GNS)增强HA复合材料的研究,研究结果表明GNS/HA断裂韧性较HA提高了80%。为此,本文重点研究了GNS/HA复合材料的生物相容性(如成骨细胞在复合材料表面贴附、增殖、分化性能及复合材料在模拟体液中的成骨矿化性能),并深入研究了石墨烯纳米片对上述性能的影响机制。本文首先对石墨烯薄膜的生物相容性进行了研究。研究表明,与石墨纸相比,石墨烯薄膜表面贴附的成骨细胞数量更多,铺展性也更好;成骨细胞在石墨烯薄膜表面的增殖与分化能力也更强。石墨烯薄膜与石墨纸微观形貌的差异是影响成骨细胞贴附、增殖与分化行为的主要原因。同时,模拟体液浸泡结果表明,石墨烯薄膜表面更利于羟基磷灰石的沉积,且分布更为均匀,具有良好的成骨矿化性能。进而,本文通过研究成骨细胞的贴附、增殖和分化评价GNS/HA复合材料的生物相容性。结果表明,GNS/HA复合材料表面贴附的成骨细胞数量增加,铺展性更好,黏着斑数量更多且分布更广。成骨细胞在GNS/HA复合材料表面的增殖和分化能力也得到了提高。研究发现,GNS对GNS/HA复合材料微观形貌产生了影响,提高了GNS/HA复合材料表面的纳米粗糙度,促进了细胞骨架的伸展和伪足的粘附,从而提高了成骨细胞的贴附以及后续的增殖、分化能力。GNS/HA复合材料模拟体液中的成骨矿化结果表明,GNS/HA复合材料较HA具有更加优异的成骨矿化性能;矿化层形貌观察显示,HA表面矿化形貌为短棒状,而GNS/HA复合材料表面矿化形貌为卷曲片状。研究认为,矿化形貌的改变源于矿化速率的提高,GNS的添加改变了材料中钙离子的溶解速率,暴露在模拟体液中的GNS为磷酸钙盐的沉积提供了更多的骨质形核质点,从而提高了矿化速率,改善了HA的成骨矿化能力。上述研究结果表明,GNS/HA复合材料具有良好的生物相容性与成骨矿化能力,是一种具有发展潜力的硬组织假体替换材料。