电纺明胶_壳聚糖_羟基磷灰石_氧化石墨烯复合膜的制备及性能研究毕业论文(编辑修改稿)

电纺明胶_壳聚糖_羟基磷灰石_氧化石墨烯复合膜的制备及性能研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

新疆师范大学 20xx 届本科毕业论文（设计） 第 1 页， 共 19 页 1 绪论 生物材料 概述 生物 材料是直接或间接作用于人体，修复治疗人体组织、器官和骨骼等一类高科技材料。 其构成多种多样，可以是无机材料或有机高分子材料，亦或是复合材料。 其特点具有良好的生物相容性、生物降解性及优异的机械强度、抗菌性等。 因此，具有广大的发展空间，近年来其发展速度迅猛。 生物材料的定义 生物 材料是一类用于人体骨骼、组织和器官的诊断、修复或增进其功能的高科技材料，其功能直接作用于需治疗部位，其作用药物是不可替代的。 可 分为天然生物材料和人造生物材料。 生物材料能直接或间接治疗疾病或辅助修复损伤的骨骼，而不能恢复缺陷部位。 生物材料的发展概况 生物材料应用生物学和人体工程学的原理，对生物材料定向的制备具有特定需要功能的生物技术。 生物工程学从上世纪 70 年代初发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等。 发展到 90 年代，生物材料技术发展迅猛，在当时全球经济 危机的大背景下，生物材料却每年保持着 13%的增长，这充分体现了生物材料具有广阔的发展空间和需求市场。 将生物材料真正的应用于现代医学领域是未来的一个必然发 展趋势，传统的无机医用金属、高分子、生物陶瓷等材料已不能满足现代医学发展的要求，实际上，生物材料用于现代医学领域已经有一些成果，例如：定向药物释放，微创治疗等等。 当前，我国生物材料学基础研究有了重大发现和进展，但生物材料的产业化水平较低，产业规模小，还不能满足我国医疗保健的实际需求。 因此国家实施了一系列政策和经济支持 ，刺激其产业化发展速度，增强我国生物材料的自主创新能力，减少进口需求并加大出口力度，扩大中国生物材料在国际上的影响力。 新疆师范大学 20xx 届本科毕业论文（设计） 第 2 页，共 19 页 生物材料的分类 生物材料品种多样，应用广泛，其分类方法 也有多种。 （ 1） 按材料的属性可分为： ； 材料； ； ； （ 2） 按材料的功能可分为： ； ；； ； 、人工合成疫苗等 （ 3） 按材料的 特性可分为： ； ； 解材料 （ 4） 按材料的来源可分为： ； ； 器官及组织； ； 生物材 料的一般性能要求 （ 1）生物相容性 生物相容性指生物材料在进入人体内后不引起排斥反应。 主要有血液相容性，不能引起凝血、溶血等不良排斥反应，组织相容性，不能引起组织炎症、排拒等不良排斥反应。 （ 2）力学性能 生物材料在人体内会经历周边组织带来的挤压 、摩擦、冲击等情况，因此，生物材料必须具有一定的机械强度才能满足其功能需求。 （ 3）耐老化可降解 生物材料在人体内有的只有几小时或几天，有的可长达几年甚至十几年，短时间内其作用完成后应在人体内自行降解，而长时间则需要其具有很强的稳定性，能够在人体内长期发挥作用。 （ 4）制作加工简便 生物材料在优异的治疗、修复和增进的功能下，还应容易制作和加工，且价格适中，适合大批量的工业化生产。 生物材料对人体的影响 生物材料植入人体内后，可能对人体会产生不适反应。 主要有局部的组织反应和全身的免疫反应。 （ 1）局部组织反应 ① 排异反应：指人体内植入异物，会在其周围发生不同程度的炎症反应。 人体不会很快代谢生物材料，就会在其周围形成包囊，将生物材料与组织分隔开，新疆师范大学 20xx 届本科毕业论文（设计） 第 3 页，共 19 页 随后包囊会纤维化且不断增厚，最终钙化变硬，引起局部持续性感染。 ② 钙化：生物材料表面钙化导致其丧失功能。 这既有材料本身 的原因，也有机体的原因。 例如：材料的性质、 材料的机械运动、局部营养不良、死亡细胞的沉积等。 ③ 感染：生物材料植入人体内引起感染是最常见的。 其原因有材料的污染或材料本身易导致感染。 因此，植入时应严格消毒灭菌，避免植入失败。 ④ 血液反应：若生物材料植入人体会干涉人体循环系统或与血液接触就易出现血栓。 ⑤ 肿瘤：生物材料的致癌尽管临床极少见，但在动物实验中却屡见不鲜。 可能由于致癌物质在生物材料上的聚集或包囊的突变。 因此生物材料 不要使用刺激性强，有毒可溶物质，尽可能使其表面粗糙，减少与组织的间隙。 （ 2）全身免疫反应 生物材料植入人体可能会引起全身性免疫反应，包括体液免疫反应和细胞免疫反应。 常见于人工血管材料等于血液有直接接触的生物材料。 临床上表现出过敏反应、感染、恶性肿瘤的发生、软组织钙化或纤维化，尤其是肺的纤维化、动脉硬化等。 骨修复材料 将生物材料用于人体骨修复领域中，是近年来一个研究热点。 骨修复支架材料 根据靶向释放原理，利用生物材料携带促进骨生长的基因定向到达骨缺损位置，并且缓慢释放促进骨组织的再生，可以提高骨修复的效果 [1]。 本研究所使用的材料有明胶、壳聚糖、羟基磷灰石、氧化石墨烯。 它们用于生物材料具 有其他材料没有的优点，但也存在一些缺 点。 明胶 明胶 （ Gelatin， GE） 是以动物的皮和骨骼为原料，经过加工制成的一种无味，半透明黄色的颗粒、薄片或粉末。 明胶的主要成分是多肽分子混合物，分子量可达几万至十几万。 明胶是一种两性物质。 等电点在 6 ~ 8 左右（ A 型），当pH 等电点 ，明胶带正电荷，向电场阴极移动，具有酸性。 当 pH 等电点，明胶带负电荷，向电场阳极移动，具有碱性。 明胶分子结构上有大量的羟基、羧基和氨基，所以明胶具有极强的亲水性。 明胶在日常生活，生产制造方面有广泛应用： 胶广泛用于糖果、罐头、皮冻等食品 方面。 、片剂糖衣等。 胶还广泛用于生产胶片、胶卷、医用 X 光夹片等。 、印染、新疆师范大学 20xx 届本科毕业论文（设计） 第 4 页，共 19 页 纺织、国防、航空、电子等各个领域发挥重大作用。 壳聚糖 壳聚糖 （ Chitosan， CS） 又名脱乙酰甲壳素，是由几丁质脱乙酰作用得到的，分子式： (C6H11NO4)N，单元体的分子量为 ，其结构如图 11 所示。 图 11 壳聚糖结构图 壳聚糖大分子中有活泼的羟基和氨基，具有很强的化学反应能力。 能发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基 化、磺化、硝化、卤化、缩合和络合等化学反应，可生成许多具有不同性能的衍生物，扩大了壳聚糖的应用范围。 壳聚糖具有许多生理活性，如： ， ， ， 排泄重金属，。 因此，壳聚糖具有广泛的应用，如： ， ，。 羟基磷灰石 羟基磷灰石 （ Hydroxyapatite， HA） [Ca10(PO4)6(OH)2]是生物体骨骼和牙齿的主要无机成分，具有优良的生物相容性。 其植入人体后，钙和磷会游离出材料表面被身体吸收并生长出新的组织。 有研究证明羟基磷灰石的晶粒越细，其生物相容性越高。 因此，羟基磷灰石常常用于生物材料的原料。 氧化石墨烯 氧化石墨烯 （ Graphene Oxide， GO） 是石墨烯的氧化物，有粉末状、片状或溶液状。 其结构如图 12 所示，它具有两亲性，从其边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。 因此，氧化石墨烯可以降低其存在界面间的能量。 氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有很高的比表面积和其表面有丰富的官能团。 此外， GO 还有抗菌性 [2]，可被用来防止外部伤口的感染 [3]。 因此，氧化石 墨烯用于生物复合材料的制备更是具有广泛的应用领域。 新疆师范大学 20xx 届本科毕业论文（设计） 第 5 页，共 19 页 图 12 氧化石墨烯结构图 静电纺丝技术 静电纺丝技术如图 13，它是将聚合物溶液运送至电纺箱中针头处，产生液滴，在电场的作用下形成泰勒锥，从尖端延展出纤维细丝，接收至下端的接收板上，形成纳米级的纤维膜。 影响电纺出纤维膜的因素有以下几点：（ 1）聚合物的分子量和分子结构等、（ 2）溶液的浓度、粘度等 [4]、（ 3）电纺时电压的大小、（ 4）针头与接收板之间的距离、（ 5）电纺箱中的温度、湿度等、（ 6）针头的形状。 利用静电纺丝技术可以制备出具有良好生 物相容性和可降解性，以及较大的比表面积和孔隙率的生物材料 [5,6]。 因此，本实验将采用静电纺丝技术制备四元复合纤维。 图 13 静电纺丝技术原理图 新疆师范大学 20xx 届本科毕业论文（设计） 第 6 页，共 19 页 本实验 的研究 目的和内容 随着生物材料的发展，生物材料的制备从适应生物环境向制备具有特殊功能的生物复合材料。 近年来，制备出许多二元，甚至三元复合材料，它们具有 其他材料所不具备的优点及特殊功能，但在材料的机械强度、抗菌性等方面存在一些缺陷。 因此，本研究采用静电纺丝技术制备 GE/CS/HA/GO 四元复合纤维材料。 在 GE/CS/HA 三元复合纤维体系中加入 GO，将会提升复合纤维的机械强度和抗菌性。 这也是本研究的创新点和出发点。 采用静电纺丝技术制备出 GE/CS/HA/GO 四元复合纤维材料。 （ 1） 人体骨是有一定的结构，所以利用微图案模板电纺纤维，会使复合纤维具有一定结构，更利于发挥其功能 [7]。 在 GE/CS/HA 三元 体系 的最优条件基础上制备 GE/CS/HA/GO 四元复合纤维 ，利用光学显微镜和扫描电子显微镜对其形貌进行研究，探索添加 GO 的最优浓度， 以及图案化模板的选 择。 （ 2）在 最优条件下制备的 四元复合纤维在 模拟 体液环境下 ， 考察其 对牛血清蛋白 的 吸附量。 考察 BSA 的初始浓度、 BSA 的 pH、和 BSA 吸附时间对其吸附蛋白的影响。 （ 3） 无序化和 图案化 GE/CS/HA/GO 四元复合纤维 进行拉伸强度测试， 考察其在力学方面的性能。 新疆师范大学 20xx 届本科毕业论文（设计） 第 7 页，共 19 页 材料与试剂 表 21 材料和试剂 名称 规格 厂家 明胶 化学纯 北京化工厂 壳聚糖 分析纯 浙江金壳生物化学有限公司 羟基磷灰石 分析纯 上海华蓝化学科技有限公司 氧化石墨烯 分析纯 上海山浦化工有限公司 高锰酸钾 分析纯 陕西省西安化玻站总经销 磷酸二氢铵 分析纯 天津市盛奥化学试剂有限公司 氯化钠 分析纯 天津市致远化学试剂有限公司 氯化钾 分析纯 天津永晟精细化工有限公司 磷酸二氢钾 分析纯 天津市致远化学试剂有限公司 磷酸氢二钠 分析纯 天津永晟精细化工有限公司 过氧化氢 分。