納米碳基磁性復(fù)合材料的制備及在磷酸鈣骨水泥中的應(yīng)用.pdf

1、磷酸鈣骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)具有良好的生物安全性和可塑性，因此在骨修復(fù)領(lǐng)域得到廣泛研究。但由于其抗壓強(qiáng)度低，常用于非承重骨部位的骨修復(fù)和骨替代，使其在臨床上的應(yīng)用受到很大限制。新型納米碳材料——碳納米管(Carbon nanotubes，CNTs)和石墨烯或還原氧化石墨烯（Reduced-graphene oxide，RGO），由于具有高比表面積、優(yōu)良的力學(xué)性能、電性能等優(yōu)點(diǎn)，是理想的增強(qiáng)材料

2、。納米四氧化三鐵(Fe3OD由于具有良好的磁性能、生物相容性以及材料納米效應(yīng)，作為功能性納米粒子在生物醫(yī)學(xué)磁熱療、藥物靶向治療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，將Fe3O4與納米碳材料進(jìn)行復(fù)合，并引入到CPC體系中，可制備出具有優(yōu)良力學(xué)性能和良好磁刺激響應(yīng)性的骨修復(fù)材料。
　　本實(shí)驗(yàn)通過水熱法在CNTs和RGO兩種碳納米材料上原位沉積Fe3O4，制備了納米碳基磁性復(fù)合材料，并研究了不同制備方法和不同表面活性劑的添加對(duì)磁性復(fù)合材料的物化性能

3、影響。在此基礎(chǔ)上，將所制備的飽磁化強(qiáng)度較高的CNTs/Fe3O4和RGO/Fe3O4添加到CPC中，成功制備了磁性磷酸鈣骨水泥(MCPC)，并對(duì)其物化性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試。并且，在不同磁強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)作用下，深入研究添加了CNTs/Fe3O4的MCPC在模擬體液(SBF)中的降解性能和礦化性能。通過骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)與MCPC的體外共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)MCPC的細(xì)胞相容性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并探討了不同靜磁場(chǎng)強(qiáng)度的刺激對(duì)MCPC細(xì)胞相容性的影響。<

4、br>　　首先，以沸點(diǎn)回流法和水熱法，在CNTs和RGO上沉積Fe3O4制備磁性復(fù)合材料中，發(fā)現(xiàn)CNTs/Fe3O4上的Fe3O4的結(jié)晶度更高，磁性更強(qiáng);通過不同的表面活性劑對(duì)Fe3O4的結(jié)晶度、形貌以及在CNTs上的分散程度進(jìn)行調(diào)控;結(jié)果表明，通過添加NaAc和CTAB組合及NaAc和PEG2000組合的表面活性劑，制得的CNTs/Fe3O4飽和磁化強(qiáng)度分別達(dá)到了65.77emu/g和65.08emu/g，處于較高水平。
　　將

5、不同納米碳基磁性復(fù)合材料加入到CPC的固相粉中，成功制備了具有磁性骨水泥(MCPC)。結(jié)果表明，納米碳基磁性復(fù)合材料的添加，對(duì)MCPC的物相組成沒有影響，但會(huì)減少M(fèi)CPC的凝固時(shí)間;并且，隨著添加量的升高，MCPC的凝固時(shí)間顯著減少。不同納米碳基磁性復(fù)合材料對(duì)MCPC的影響不同，加入RGO/Fe3O4的MCPC呈現(xiàn)脆性斷裂，加入CNTs/Fe3O4的MCPC具有一定的塑性，且隨著CNTs/Fe3O4量的增加，MCPC先呈現(xiàn)出塑性斷裂，隨

6、后呈現(xiàn)脆性斷裂。并且，加入CNTs/Fe3O4的MCPC較加入RGO/Fe3O4的MCPC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別提高了178.4％和776.5％。但CNTs/Fe3O4復(fù)合材料的添加量為9wt％時(shí)，MCPC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均最高，分別達(dá)到40.15MPa和1782MPa，相對(duì)于沒有添加CNTs/Fe3O4的空白CPC(BCPC)分別提高了83.2％和93.7％。
　　由降解與礦化實(shí)驗(yàn)可知，MCPC具有良好的防潰散能力，并且在

7、SBF浸泡過程中，β-磷酸三鈣(β-TCP)向羥基磷灰石(HA)的轉(zhuǎn)化持續(xù)進(jìn)行。在浸泡5天后，添加了9wt％的CNTs/Fe3O能促進(jìn)MCPC中HA晶粒在(113)晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)。另外，CNTs/Fe3O4的添加，有利于提高M(jìn)CPC的降解速率。在靜磁場(chǎng)刺激下，MCPC的降解和礦化行為的最終結(jié)果不會(huì)發(fā)生變化，但會(huì)對(duì)其降解和礦化過程產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在影響MCPC的降解和礦化速率上。其中，80 mT靜磁場(chǎng)的刺激，有利于提高M(jìn)CPC的降解速率，

8、300mT靜磁場(chǎng)的刺激，有利于提高M(jìn)CPC的礦化速率。
　　通過體外細(xì)胞共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)可知，在無靜磁場(chǎng)刺激時(shí)，各MCPC對(duì)MSCs細(xì)胞的增殖有抑制作用，且磁性復(fù)合材料的添加不利于MCPC上細(xì)胞胞內(nèi)Ca2+的富集，磁性復(fù)合材料的不同含量對(duì)細(xì)胞的形態(tài)沒有影響。在有靜磁場(chǎng)刺激時(shí)，不同靜磁場(chǎng)刺激對(duì)BCPC上MSCs細(xì)胞的增殖活性呈現(xiàn)階段性的抑制或促進(jìn)作用;60mT靜磁場(chǎng)的刺激對(duì)MCPC上MSCs細(xì)胞的增殖活性均有較明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)磁性復(fù)合材

9、料添加量為9wt％時(shí)促進(jìn)作用最為明顯;不同靜磁場(chǎng)刺激均對(duì)MCPC上MSCs細(xì)胞的分化有促進(jìn)作用，且在130mT靜磁場(chǎng)作用下，當(dāng)添加量為12wt％時(shí)，MCPC上MSCs細(xì)胞的分化活性最高。不同靜磁場(chǎng)刺激均能促進(jìn)MCPC上MSCs細(xì)胞的黏附和鋪展。不同靜磁場(chǎng)刺激均不利于BCPC上細(xì)胞胞內(nèi)Ca2+富集，且磁強(qiáng)越大，富集程度越低。不同靜磁場(chǎng)刺激均能促進(jìn)磁性復(fù)合材料含量為9wt％的MCPC上細(xì)胞對(duì)Ca2+的富集，且磁強(qiáng)越大，富集程度越高，但促進(jìn)作