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生物活性玻璃是无机生物医用材料的一个重要分支,它在体液环境中表面会形成一层类骨羟基磷灰石层,与自然骨组织形成牢固的化学键合。这类材料在骨修复和替代、牙齿修复和治疗等领域已经有超过二十年的临床应用和数以万计的成功病例。静电纺丝技术是一种利用高分子溶液或熔体在强电场作用下形成单根纳米和微米级别超细纤维的工艺。利用电纺丝技术可以轻易的制备直径、组分可调的生物活性玻璃纳米纤维材料,其具有高比表面积、高空隙率以及与天然细胞外基质(ECM)相似的结构,在硬组织修复、药物载体等领域是极具潜力的新型一维生物材料。
本论文在电纺丝制备生物活性玻璃纤维的基础上,从材料的化学组成和微观结构与材料性能之间的密切关系出发,首先研究制备了不同SiO2含量的钙硅二元生物活性玻璃纤维,通过浸泡模拟体液考察了他们生物活性与钙硅含量的关系,发现随着SiO2含量的增多,纤维的生物活性有着减小的趋势,但综合考虑钙硅含量和纤维微观结构的影响,发现70S30C(70mol%SiO2,30% mol%CaO)具有最佳的生物活性。考虑到生物材料植入体内后与蛋白质分子的相互作用对其生物相容性的重要影响,进一步研究了70S30C纤维浸泡模拟体液后在纤维表面沉积的羟基磷灰石层对蛋白质分子的吸附释放特性,发现其对牛血清白蛋白分子(BSA)的吸附属于Langmuir吸附模型,饱和吸附量约为32 mg/g,吸附后磷灰石层的蛋白分子释放非常缓慢,释放初期无明显突释行为;
进一步,通过改变电纺丝条件,利用相分离原理制备了具有中空结构的钙硅二元生物活性玻璃纤维70S30C,其内径约150 nm,壁厚约100 nm,并通过浸泡模拟体液表明其具有更出色的生物活性;
最后,结合电纺丝技术与水热方法,利用电纺丝生物活性玻璃纤维作为自牺牲模板,成功制备了由羟基磷灰石纳米片(厚度约10nm,宽度约100nm)组装而成的中空纤维,其内径600~900nm,壁厚约200nm。接着同样研究了它的蛋白吸附释放特性,发现其具有优异的蛋白吸附性能,BSA吸附量达到96.8mg/g。蛋白分子的释放也非常缓慢且没有明显的突释现象,在骨修复、药物载体、蛋白分离等领域具有巨大的应用潜力。
本论文的研究内容实现了对电纺丝生物活性玻璃纤维的化学组成和微观结构的调控,并利用电纺丝生物活性玻璃纤维进一步制备了具有多级结构的羟基磷灰石中空纤维。这些新型的一维生物活性材料具有优异的生物活性和蛋白吸附释放特性,有望在硬组织修复、蛋白载体、生物分离等领域取得良好的应用价值。