石墨稀羟基磷灰石复合材料生物学性能研究

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1、SOOCHOWUNIVERSITY硕士学位论文1W论文题目石墨煤/经基磷灰石复合材料生物学性能研究研究生姓名张晓刚指导教师姓名陈瑶专业名称机械工程研究方向生物陶瓷论文提交日期2015年6月石墨烯/羟基磷灰石复合材料生物相容性研究石墨烯/羟基磷灰石复合材料生物相容性研究中文摘要羟基磷灰石（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

2、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(sparkplasmasintering，SPS)开展了石墨烯纳米片(graphenenanosheet，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

3、。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

4、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I石墨烯/羟基磷灰石复合材料生物相容性研究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，

5、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。关键词：羟基磷灰石；石墨烯；生物相容性；成骨矿化。作者：张晓刚指导教师：陈瑶II石墨烯/羟基磷灰石复合材料生物相容性研究BiocompatibilityofagraphenenanosheettoughenedhydroxyapatiteceramiccompositeAbstractHydroxyapatite(HA)iswellrecognizedtobeabioologicalcompatibleceramicwithexcellentbioactivityandosteoconducti

6、vityowingtoitschemicalcompositionandcrystalstructuresimilartotheapatiteinhumanskeletalsystem,whicharecapbleofosteoblastadhesionandproliferation,newboneingrowthandintegrationwithnaturebone.Unfortunately,thebrittlenessinnatureassociatedwithHA,andlowtoughness-inducedpoorwearresistancestillrestrictits

7、clinicalapplications.Therefore,tougheningofHAwithasecondphasehasbeenextensivelyexploredtoovercomethedeficienciesofpureHA.Graphenewithveryhighspecificsurfaceareaexhibitsexcellentperformancesinmechanicalproperties,