《藍(lán)色天空》ppt課件

1、HA/PLA復(fù)合資料的制備及生物活性評價 學(xué)生：王俊鳳學(xué)生：王俊鳳 導(dǎo)師：張導(dǎo)師：張 軍軍 教授教授報告內(nèi)容1、 緒論緒論2、 丙交酯丙交酯(LA)的制備與提純的制備與提純3、 丙交酯開環(huán)聚合制備聚乳酸丙交酯開環(huán)聚合制備聚乳酸4、 HA/PLA復(fù)合資料的制備與性能評價復(fù)合資料的制備與性能評價5、 HA/PLA復(fù)合資料的體外水解與生物活性評價復(fù)合資料的體外水解與生物活性評價6、 創(chuàng)新與展望創(chuàng)新與展望7、 碩士期間的研討成果碩士期間的研討成果8、 致致 謝謝緒論緒論1.1 選題背景選題背景骨骼是人體的支架，擔(dān)負(fù)著支持、承重、貯鈣等功骨骼是人體的支架，擔(dān)負(fù)著支持、承重、貯鈣等功能，是人體的重要的組織

2、器官。能，是人體的重要的組織器官。 由疾病、創(chuàng)傷、功能退化或先天異常等緣由呵斥的由疾病、創(chuàng)傷、功能退化或先天異常等緣由呵斥的骨缺損是臨床常見病癥。骨缺損是臨床常見病癥。研制理想的骨移植和修復(fù)資料是醫(yī)學(xué)和生物資料科研制理想的骨移植和修復(fù)資料是醫(yī)學(xué)和生物資料科學(xué)領(lǐng)域中的重要研討課題。學(xué)領(lǐng)域中的重要研討課題。曾經(jīng)運用于臨床的骨移植資料有同種骨曾經(jīng)運用于臨床的骨移植資料有同種骨(包括自體骨包括自體骨和異體骨和異體骨)、異種骨和非生物體來源的人工骨替代、異種骨和非生物體來源的人工骨替代資料資料 。人工骨組織修復(fù)生物醫(yī)用資料的開發(fā)研討具有艱苦人工骨組織修復(fù)生物醫(yī)用資料的開發(fā)研討具有艱苦的意義。的意義。 1

3、.2 生物資料生物資料 生物資料生物資料(Biomaterials)，普通是指生物醫(yī)，普通是指生物醫(yī)用資料，是用于對人體進展診斷、治療、用資料，是用于對人體進展診斷、治療、修復(fù)或交換其病損組織、器官或增進其功修復(fù)或交換其病損組織、器官或增進其功能的新型高技術(shù)資料。能的新型高技術(shù)資料。生物資料的分類 a. 以資料的生物性能分類 生物惰性資料生物惰性資料氧化物陶瓷、玻璃陶瓷、Si3N4陶瓷、醫(yī)用碳素資料、醫(yī)用金屬資料生物活性資料生物活性資料羥基磷灰石、磷酸鈣、磁性資料、生物玻璃生物降解資料生物降解資料-TCP生物降解陶瓷、生物陶瓷藥生物降解陶瓷、生物陶瓷藥物載體物載體b. 以資料的屬性分類以資料的

4、屬性分類生物醫(yī)用金屬生物醫(yī)用金屬資料資料具有高的機械強度和抗疲勞性能，不能與骨組織發(fā)生化學(xué)鍵性結(jié)合，金屬彈性模量較骨過高，易呵斥骨應(yīng)力吸收，引起種植體松動。生物醫(yī)用高分子生物醫(yī)用高分子資料資料非降解型：主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等，主要用于人體軟、硬組織修復(fù)體、人工器官、人造血管、管腔制品等方面?？山到庑停褐饕z原、線性脂肪族聚酯、甲殼素、纖維素、聚己丙酯等；主要用于藥物釋放和送達(dá)載體及非永久性植入安裝。生物陶瓷生物陶瓷具有良好的生物相容性，包括陶瓷、玻璃、碳素等無機非金屬資料。強度和韌性較差，很難滿足人體承力較大部位的需求，目前主要用于作小的承力部件、

5、涂層，低負(fù)載的植入體。生物衍生資料生物衍生資料是由經(jīng)過特殊處置的天然生物組織構(gòu)成的生物醫(yī)用資料，也稱為生物再生資料?；蚓哂蓄愃朴谧匀唤M織的構(gòu)型和功能，或是其組成類似于自然組織，在維持人體動態(tài)過程的修復(fù)和交換中具有重要作用。主要用作人工心瓣膜、血管修復(fù)體、皮膚掩膜、骨修復(fù)體、鞏膜修復(fù)體、鼻種植體、血液透析膜、血漿加強劑等。生物醫(yī)用復(fù)合生物醫(yī)用復(fù)合資料資料性能優(yōu)勢：降解方式和降解速率的可調(diào)性；力學(xué)性能的加強和改善。性能優(yōu)勢：降解方式和降解速率的可調(diào)性；力學(xué)性能的加強和改善。 分為：分為： 有機有機/有機復(fù)合生物資料有機復(fù)合生物資料 金屬金屬/無機復(fù)合生物資料無機復(fù)合生物資料 有機有機/無機復(fù)合生物

6、資料無機復(fù)合生物資料1.3 HA/PLA復(fù)合資料復(fù)合資料資料種類優(yōu)點缺陷羥基磷灰石(HA)良好的生物相容性，骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性，耐腐蝕，力學(xué)強度高脆性大、抗折強度低聚乳酸(PLA)具有良好的生物相容性和生物降解性，較好的熱成型性，降解速度可調(diào)降解產(chǎn)物略呈酸性，易引起體內(nèi)炎癥反響，X-射線不顯影 HA和PLA兩種資料單獨運用都不是理想的骨替代資料。兩者復(fù)合有望得到力學(xué)強度高，模量適宜，可以被生物吸收的骨修復(fù)和交換資料。1.3.2 HA/PLA復(fù)合資料的性能復(fù)合資料的性能力學(xué)性能界面相容性降解行為生物相容性1.3.3 影響復(fù)合資料性能的要素影響復(fù)合資料性能的要素 a、HA粒徑、形狀、用量及能否外表

7、改性 b、PLA分子量及其性質(zhì) c、復(fù)合資料的制備方法1.4 PLA及其單體簡介及其單體簡介PLA單體：乳酸或丙交酯單體：乳酸或丙交酯C6H8O4(3，6-二甲基二甲基-1，4-二氧雜環(huán)己烷二氧雜環(huán)己烷-2，5-二酮二酮) 乳酸的旋光異構(gòu)體：乳酸的旋光異構(gòu)體：D-乳酸L-乳酸丙交酯的光學(xué)異構(gòu)體丙交酯的光學(xué)異構(gòu)體L-丙交酯D-丙交酯meso-丙交酯D,L-丙交酯聚乳酸聚乳酸(PLA)的光學(xué)異構(gòu)體的光學(xué)異構(gòu)體1.5 PLA的合成方法的合成方法1、直接法、直接法 2、間接法、間接法縮合脫水裂解環(huán)化催化ROP脫水縮合2 丙交酯的制備與提純丙交酯的制備與提純2.1 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容a 粗丙交酯的制備粗丙

8、交酯的制備b 粗丙交酯的提純粗丙交酯的提純c 丙交酯的表征丙交酯的表征 1熔點熔點 (毛細(xì)管熔點法毛細(xì)管熔點法 2紅外光譜紅外光譜IR 3X-射線衍射射線衍射XRD 4綜合熱分析綜合熱分析TGA-DSC乳酸催化劑逐步升溫逐步減壓乳酸低聚物脫水裂解環(huán)化快速升溫快速減壓催化劑丙交酯2.2 結(jié)果與討論結(jié)果與討論1脫水溫度脫水溫度10012014016018001020304004080 丙 交酯產(chǎn)率/% 脫水溫度/脫水率/%圖圖2-1 脫水溫度對丙交酯產(chǎn)率及脫水率的影響脫水溫度對丙交酯產(chǎn)率及脫水率的影響(催化劑含量催化劑含量0.8%、15mL稀釋劑稀釋劑0.00.40.81.21.62.010203

9、040 丙 交酯產(chǎn)率/%催化劑用量/%圖圖2-2 催化劑用量對丙交酯粗產(chǎn)率的影響催化劑用量對丙交酯粗產(chǎn)率的影響(15ml稀釋劑，脫水溫度稀釋劑，脫水溫度160，解聚溫度，解聚溫度260 3解聚溫度21022023024025026010203040 丙交酯產(chǎn)率/%解聚溫度/圖圖2-3 2-3 解聚溫度對丙交酯產(chǎn)率的影響解聚溫度對丙交酯產(chǎn)率的影響( (催化劑含量催化劑含量1.2%1.2%、脫水溫度、脫水溫度160) 160) 4稀釋劑 表2-1 乙二醇用量對丙交酯產(chǎn)率的影響 100mL乳酸、催化劑含量1.2%、脫水溫度 160、解聚溫度250 5最正確工藝條件下的丙交酯合成最正確工藝條件下的丙交

10、酯合成 表表2-2 最正確工藝條件下丙交酯的合成最正確工藝條件下丙交酯的合成 120160縮聚和縮聚和220250解聚，催化劑解聚，催化劑用量用量0.12%，稀釋劑，稀釋劑15mL(6) (6) 丙交酯提純方法的改良丙交酯提純方法的改良 表表2-3 2-3 兩種重結(jié)晶方法的比較兩種重結(jié)晶方法的比較 方法方法1 1：乙酸乙酯做提純?nèi)軇?；方法：乙酸乙酯做提純?nèi)軇环椒? 2：無水乙：無水乙醇和乙酸乙酯聯(lián)用醇和乙酸乙酯聯(lián)用2.3 2.3 丙交酯的表征丙交酯的表征1 1紅外光譜紅外光譜 圖圖2-4 D,L-丙交酯紅外譜圖丙交酯紅外譜圖2D,L-丙交酯的丙交酯的DSC分析分析圖圖2-5 D,L-丙交酯的

11、丙交酯的DSC圖圖3D,L-丙交酯的丙交酯的XRD分析分析20406001000200030004000 Counts2/()圖圖2-6 D,L-丙交酯的丙交酯的XRD圖圖2.4 小結(jié)小結(jié)(1) 以無水氧化鋅為脫水劑及解聚劑，在全程低真空條下，由乳酸分別在120160縮聚和220250解聚，合成了丙交酯，粗產(chǎn)率可達(dá)40.2%。水泵減壓，降低了反響難度。最正確條件下丙交酯平均粗產(chǎn)率達(dá)38.6%。(2) 丙交酯提純過程中，無水乙醇和乙酸乙酯聯(lián)用，與單純用乙酸乙酯溶劑相比，可使丙交酯四次重結(jié)晶收率提高8.7%，而且產(chǎn)物熔點符合要求。(3) 經(jīng)過重結(jié)晶得到了高純度的丙交酯，并用IR、XRD、 DSC

12、等對其進展了測試，證明合成產(chǎn)物的構(gòu)造與實際構(gòu)造一致。3 丙交酯開環(huán)聚合制備聚乳酸丙交酯開環(huán)聚合制備聚乳酸3.1 3.1 聚乳酸的制備與純化聚乳酸的制備與純化 LALA的熔融聚合及產(chǎn)物的純化的熔融聚合及產(chǎn)物的純化 粘度法測定粘度法測定PLAPLA的分子量的分子量 IRIR分析分析PLAPLA的構(gòu)造的構(gòu)造3.2 3.2 結(jié)果與討論結(jié)果與討論 調(diào)查要素：丙交酯純度、催化劑用量、調(diào)查要素：丙交酯純度、催化劑用量、 聚合溫度、聚合時間聚合溫度、聚合時間3.3 3.3 本章小結(jié)本章小結(jié)3.1 聚乳酸的制備與純化聚乳酸的制備與純化洗滌洗滌稱量稱量抽真空封管抽真空封管 熔融聚合熔融聚合溶解聚合物溶解聚合物沉淀

13、沉淀洗滌洗滌真空枯燥真空枯燥 3.2 結(jié)果與討論結(jié)果與討論1丙交酯純度丙交酯純度 表表3-1 3-1 丙交酯純度與聚乳酸分子量的關(guān)系丙交酯純度與聚乳酸分子量的關(guān)系 反響溫度為反響溫度為170170，反響時間為反響時間為5h5h0.00.10.20.30.40. 40. 81. 21. 62. 0 聚乳酸分子量/104催化劑用量/%圖圖3-1 催化劑用量與催化劑用量與PLA分子量的關(guān)系分子量的關(guān)系170，5h 1501601701801901.01.52.0 聚乳酸分子量/104聚合溫度/ 圖圖3-2 聚合溫度對聚合反響的影響聚合溫度對聚合反響的影響0.15%，5h4聚合時間聚合時間246810

14、121.21.62.02.42.8 聚乳酸分子量/104聚合時間/h圖圖3-3 3-3 時間對聚合反響的影響時間對聚合反響的影響170170，0.15%0.15% 5PLA的紅外光譜圖的紅外光譜圖C-H C-O-C C-O C-O C=O 圖圖3-4 聚聚D,L-乳酸的紅外光譜圖乳酸的紅外光譜圖 -OH 3.3 小結(jié)小結(jié)PLA分子量的大小隨催化劑濃度的增大而添加，但催化劑的濃度到達(dá)0.15%時，分子量的大小隨催化劑濃度的添加而降低。提高溫度或延伸時間都有利于聚合反響的發(fā)生，但溫度過高，時間過長，容易發(fā)生炭化等副反響，反而使分子量降低。丙交酯開環(huán)聚合的最正確條件：運用提純后的丙交酯，催化劑濃度為

15、0.15%，在170，聚合7h。紅外光譜闡明產(chǎn)物是聚乳酸：4 HA/PLA復(fù)合資料的制備與性能表征4.1 實驗部分1HA的制備：快速均勻沉淀法，900燒結(jié)1h2HA/PLA復(fù)合資料的制備溶液共混-超聲分散-溶劑揮發(fā)法，即SUD法，HA/PLA分別為 0/100，5/95，10/90，20/80)將HA分散于N,N-二甲基甲酰胺DMF)中, 攪拌20min將PLA 溶于DMF中，攪拌20min二者同時置于超聲波清洗器中，超聲分散20min將HA懸濁液滴入正在超聲攪拌的PLA溶液中，再超聲攪拌5min倒入鋪有鋁箔的模具中，流平，放入65烘箱中鼓風(fēng)枯燥6h65真空枯燥6h3分析與檢測分析與檢測 1

16、X-射線衍射射線衍射(XRD) 2 紅外光譜分析紅外光譜分析(IR) 3 透射電鏡透射電鏡(TEM) 4) 光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡 5) 溶脹度測定溶脹度測定 6) 綜合熱分析綜合熱分析TGA-DSC4.2 結(jié)果與討論結(jié)果與討論(1) HA的的XRD分析分析圖4-1 HA的XRD譜圖試樣試樣XRD圖譜的圖譜的d值與值與JCPDS編制的編制的PDF羥基磷灰石羥基磷灰石 (9-432)的的d值相吻合值相吻合 2HA的紅外譜圖的紅外譜圖圖圖4-2 HA的的IR譜圖譜圖OH-OH-OH-PO43-PO43-PO43-PO43-圖4-3 HA的TEM照片(80,000)及電子衍射圖譜晶體呈現(xiàn)短棒狀，長度在

17、3060nm，寬度在2040nm之間，成納米級。圖圖4-4 HA分散在分散在DMF中的中的TEM照片照片5HA在PLA中的分散情況圖4-5 HA/PLA薄膜的金相顯微鏡照片6復(fù)合資料的均勻性復(fù)合資料的均勻性 表4-1 TGA結(jié)果對對HA/PLA=10/90的復(fù)合資料，任取三個區(qū)域的樣品，的復(fù)合資料，任取三個區(qū)域的樣品，進展進展TGA分析。分析。7 7資料的溶脹性能資料的溶脹性能05101520253035400510 吸水率/%時間/h (0/100 HA/PLA) ( 5/95 HA/PLA) (10/90 HA/PLA) (20/80 HA/PLA)圖圖4-6 4-6 溶脹度曲線溶脹度曲線

18、 8DSC分析分析圖圖4-7 HA/PLA復(fù)合資料的復(fù)合資料的DSC圖圖HA/PLA: a: 0/100 b: 5/95 c: 10/90 d: 20/809IR分析分析圖圖4-8 HA/PLA復(fù)合資料的復(fù)合資料的IR圖圖 對比可見：對比可見： 原來在原來在PLA未締合的羥基伸縮振動峰未締合的羥基伸縮振動峰 3453cm-1，在，在HA/PLA中復(fù)合資料中消逝；中復(fù)合資料中消逝；PLA的羰基的羰基伸縮振動峰伸縮振動峰1756cm-1減弱，而減弱，而C-O鍵的伸縮振鍵的伸縮振動動1187cm-1加強。由此可知，復(fù)合資料兩相物加強。由此可知，復(fù)合資料兩相物質(zhì)構(gòu)造有所變化，質(zhì)構(gòu)造有所變化，PLA中的

19、羰基與中的羰基與HA中的羥基中的羥基經(jīng)過氫鍵產(chǎn)生新的經(jīng)過氫鍵產(chǎn)生新的O-H鍵，使鍵，使HA中的羥基伸縮中的羥基伸縮振動向遠(yuǎn)紅外區(qū)挪動，同時，引起振動向遠(yuǎn)紅外區(qū)挪動，同時，引起PLA中的中的C=O鍵電子云向新鍵挪動，所以，羰基峰減弱，鍵電子云向新鍵挪動，所以，羰基峰減弱，C-O峰加強。另外，峰加強。另外，HA中的中的Ca2+與與PLA中的羧中的羧基發(fā)生靜電親和作用，導(dǎo)致紅外譜圖上羰基峰基發(fā)生靜電親和作用，導(dǎo)致紅外譜圖上羰基峰變?nèi)酢Ｗ內(nèi)酢?.3 小結(jié)小結(jié)1、 以均勻沉淀制備了結(jié)晶完善、顆粒尺寸為以均勻沉淀制備了結(jié)晶完善、顆粒尺寸為3060nm的的HA。2、 選擇選擇DMF做分散劑，以做分散劑，以

20、SUD法，制得法，制得HA/PLA復(fù)合資料。復(fù)合資料。3、 HA在在PLA中的分散比較均勻，有細(xì)微聚會。中的分散比較均勻，有細(xì)微聚會。TGA分析闡分析闡明，明，HA/PLA復(fù)合資料均勻性良好。復(fù)合資料均勻性良好。HA的參與，影響復(fù)的參與，影響復(fù)合資料的溶脹性能，隨著合資料的溶脹性能，隨著HA參與量的添加，溶脹度明顯參與量的添加，溶脹度明顯提高。提高。HA的參與，將有利于資料生物相容性的提高。的參與，將有利于資料生物相容性的提高。4、 IR、DSC分析闡明，以分析闡明，以HA加強的加強的PLA的熱穩(wěn)定性加強。的熱穩(wěn)定性加強。復(fù)合物中的界面結(jié)協(xié)作用在微觀上表現(xiàn)為復(fù)合物中的界面結(jié)協(xié)作用在微觀上表現(xiàn)為

21、HA中中Ca2+與與PLA中的羧基氧原子的孤對電子的靜電附著，以及中的羧基氧原子的孤對電子的靜電附著，以及HA中中羥基與羥基與PLA中氧原子之間的氫鍵作用。中氧原子之間的氫鍵作用。5 HA/PLA復(fù)合資料的體外降解復(fù)合資料的體外降解與生物活性測試與生物活性測試5.1 實驗部分 資料的制備 用SUD法制備HA/PLA復(fù)合資料薄膜，HA含量為 10%。以純PLA作為對照。 表5-1 R-SBF的配方3體外實驗內(nèi)容 表5-2 生物活性測試安排 5.2 結(jié)果與討論結(jié)果與討論1 SBF溶液pH值的變化024686.906.957.007.057.107.157.207.257.307.357.407.4

22、57.50 pH值降解時間/W PLA 10/90 HA/PLA圖圖5-1 資料降解過程中資料降解過程中SBF溶液溶液pH值隨時間的變化值隨時間的變化 前4周內(nèi)，PLA迅速發(fā)生降解生成低聚物，pH值變化較大。隨后4周，pH繼續(xù)降低。降解趨于完全，pH值變化平緩。HA的參與使得pH值下降速度減慢。 緣由：HA粒子妨礙了水分子和降解產(chǎn)物分散，且隨著溶液酸性加強，溶液中游離的Ca2+與羧基構(gòu)成離子鍵，端羧基有效濃度降低，自催化降解效應(yīng)減弱。同時，降解過程中，HA產(chǎn)生的OH-離子對溶液的酸性也起了一定的中和作用。 2 失重率失重率024680123456 失 重率/%時 間/W 10/90 HA/PL

23、A PLA1.550.615.282.23圖圖5-2 體外降解中失重率隨時間的變化體外降解中失重率隨時間的變化3 分子量的變化 024681416182022242628303218.0,40.8% PLA分 子 量/104時 間/W PLA 10/90 HA/PLA18.0,40.8%19.9,34.5%15.6,48.7%30.4圖5-3 PLA分子量隨降解時間的變化一開場大分子量的聚合物的斷裂導(dǎo)致了分子量快速下降，當(dāng)分子量下降到一定程度時，分子鏈的斷裂對分子量的絕對值影響逐漸趨緩。 復(fù)合資料的失重率明顯低于同期單純PLA資料，降解速度明顯減慢。緣由：HA呈堿性，可以與酸性降解產(chǎn)物發(fā)生反響

24、， 降低了資料內(nèi)部酸性降解產(chǎn)物的自催化反響，也對資料周圍pH值下降有一定的緩沖作用；HA顆粒在復(fù)合資料中類似一種物理屏障，可減慢水分子等降解介質(zhì)的進入和降解產(chǎn)物的釋放速度；復(fù)合資料的降解速度減慢，一方面可延伸資料強度維持時間，有利于組織細(xì)胞長入及生存環(huán)境的穩(wěn)定；另一方面也可防止短期內(nèi)大量降解產(chǎn)物釋放，從而添加資料的生物相容性。4 HA含量的變化含量的變化 表5-3 HA含量隨降解時間的變化5 XRD分析分析圖5-4 HA/PLA復(fù)合資料降解不同時間的XRD譜圖25.97 資料外表微觀分析SEM 0W 4W 8W圖圖5-5 HA/PLA復(fù)合資料降解不同時間的復(fù)合資料降解不同時間的SEM照片照片24005.3 小結(jié)1、 HA/PLA復(fù)合資料的降解包括PLA的降解和HA的鈣化兩個方面。2、 純的PLA的水解液的pH值下降速度、失重率明顯高于HA/PLA復(fù)合資料。因此，可以經(jīng)過調(diào)理復(fù)合資料中HA的含量，調(diào)理資料的降解速率，以減少無菌性炎癥的發(fā)生，滿足不同組織對資料降解速率的要求。3、 復(fù)合薄膜在SBF中浸泡可以長出類骨磷灰石顆粒，隨著浸泡時間的延伸，磷灰石堆積增多。XRD分析闡明生成的磷灰石結(jié)晶不完好。6 6 創(chuàng)新與展望創(chuàng)新