羟基磷灰石纳米花生/明胶复合材料的制备及性能研究

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本文采用回流-水热法制备羟基磷灰石纳米花生(HA-NPN),以四水合硝酸钙为钙源、磷酸为磷源、氢氧化钠为沉淀剂及乙醇为模板剂,通过X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)分析了乙醇模板剂的影响,结合密度泛函理论和热力学理论分析了乙醇为模板剂合成HA-NPN的合成机理,并制备了不同水热时间的HA-NPN,通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和紫外-可见分光光度计进行表征测试。进而通过冷冻干燥法制备了HA-NPN/明胶(Gel)复合材料,探究了HA-NPN、交联剂鞣酸(TA)和Gel浓度等对复合材料的影响,并通过密度泛函理论及FT-IR分析了HA-NPN与Gel之间可能的相互作用。研究结果表明:通过乙醇分子做为模板剂,成功的制备了结晶性良好且状似花生的羟基磷灰石,其呈棒状结构,长度为50~200 nm,宽度为22~50 nm,且表面存在着直径为2~5 nm的凹坑;随着HA-NPN水热时间的延长,结晶度逐渐增大,机理分析表明乙醇模板剂不仅促进了羟基磷灰石晶核形成,诱导其成核生长,而且稳定了HA-NPN表面的纳米凹坑;HA-NPN/Gel复合材料呈现相互连通的多孔结构,孔径尺寸为50~500μm;水热时间为12小时的HA-NPN/Gel复合材料表现出较优异的力学性能,加入HA-NPN及交联剂TA力学性能得到提高;复合材料的孔隙率整体分布在70%~90%,密度分布在0.08~0.1之间,溶胀率在12~19的范围内,这与海绵骨相一致。对于力学性能,加入HA-NPN,复合材料的压缩模量为9.27~10.53 MPa,提高了9.69%~45.53%,屈服强度为0.33~0.47 MPa,提高了7.84%~16.22%;通过加入交联剂TA,得到的HA-NPN/Gel/TA复合材料的压缩模量为12.13~18.14 MPa,较未交联的复合材料可提高30.85%~72.86%,屈服强度为0.60~0.83 MPa,提高了41.86%~81.82%;提高Gel浓度,压缩模量可提高1.94%~34.70%,屈服强度提高9.30%~36.07%。对于孔径尺寸,加入HA-NPN和交联剂TA得到的复合材料平均孔径尺寸有减小的趋势,而且在Gel浓度为4.0 wt%时,复合材料平均孔径尺寸相对较小。对于孔隙率和密度,加入HA-NPN和交联剂TA得到的复合材料孔隙率降低,而密度有增大的趋势。对于溶胀性能,加入HA-NPN及交联剂TA后得到的复合材料平衡溶胀率有变低的趋势。通过机理分析表明,HA-NPN中的氢氧根离子、钙离子、磷酸根离子与Gel分子间存在着相互作用,其表面的凹坑对Gel起到锚固作用,使HA-NPN/Gel复合材料体系能够稳定存在,从而使其力学性能得到提高。
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