聚乳酸纤维增强羟基磷灰石/壳聚糖复合材料的制备与研究

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将羟基磷灰石与壳聚糖材料复合,是目前生物材料研究的热点之一。两种材料均具有良好的生物相容性和生物降解性。羟基磷灰石材料还是一种重要的骨诱导因子,但是在单独使用时不易成型且脆性较大。壳聚糖为天然高分子物质可以通过多种方式成型但强度不理想。将羟基磷灰石与壳聚糖复合可以在一定程度上改善两者的生物学性能和物理机械性能,可以制得生物支架材料、骨组织修复和替代材料等。而作为骨修复和替代材料使用时其物理性能对于骨组织工程的需求仍然具有一定的差距。因此对羟基磷灰石/壳聚糖复合材料进行改性增加强度变的更具有一定实际意义。本文在此基础上,首次提出以生物可降解纤维对羟基磷灰石/壳聚糖复合材料进行力学增强,制备出既能完全可生物降解且机械强度又得到一定程度提高的生物复合材料。论文中采用傅里叶红外光谱、X-射线衍射分析、电子扫描电镜、力学测试等对材料的组成、结构与性能进行了表征与分析。实验在沉淀法制备羟基磷灰石的基础上,以原位沉析法制备了羟基磷灰石/壳聚糖复合材料。研究并总结了羟基磷灰石/壳聚糖复合物制备成型中所受因素的影响,包括前驱液脱泡、模具、凝固液、凝胶处理、反应时间等,并经过优化得到了形状规则、无明显物理缺陷的样品。通过对样品进行表征证实:产物中存在羟基磷灰石晶体,且有部分B型碳羟基磷灰石生成;凝固液浓度较高时,利于羟基磷灰石晶体(002)晶面的生长。原位沉析法制备的样品中羟基磷灰石分散均匀,复合材料的力学强度有一定提升。在原位沉析法制备羟基磷灰石/壳聚糖复合物的基础上用聚乳酸纤维对复合物进行增强。分析了掺杂纤维后对样品成型工艺的影响,并通过调整工艺使聚乳酸纤维均匀分散在壳聚糖基体中。对样品进行表征后发现掺杂纤维后在一定程度上利于复合物中羟基磷灰石的转化和生成,当纤维含量为2%时纤维可以在基体内较为均匀的分散,并产生良好的界面配合,利于增强复合材料的力学强度。通过正交试验对影响复合材料弯曲强度的主要影响因素(羟基磷灰石含量、纤维含量、纤维长度)进行分析发现:复合材料的抗折强度随羟基磷灰石含量增加而变化较小,弯曲模量会产生小幅度的提升;随着纤维质量分数的提高,材料的抗折强度和弯曲模量均在2wt%时出现最高值,然后下降。纤维长度增大时,抗折强度增加,而在10mm~50mm之间时强度值变化不大,复合材料的弯曲模量在L=10mm时出现最高值。利用极差分析得出各影响因素对纤维增强复合材料综合力学性能影响强弱次序为:聚乳酸纤维含量>聚乳酸纤维长度>羟基磷灰石加入量。利用戊二醛对壳聚糖的交联作用,对复合物进行交联改性。发现,交联后的复合物中羟基磷灰石含量明显减少,且晶体生长不好,限制了羟基磷灰石的生成。经过力学比较,交联后的复合物抗折强度明显提高,其变化规律和未交联复合物均表现为先增后降。由于壳聚糖和戊二醛特殊的理化性质,使交联改性的应用受到了一定限制,其工艺有待进一步改进。因此采用聚乳酸纤维增强并以原位沉析法制备羟基磷灰石/壳聚糖复合材料是可行的。
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