【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 新疆師范大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 1 頁(yè)， 共 19 頁(yè) 1 緒論 生物材料 概述 生物 材料是直接或間接作用于人體，修復(fù)治療人體組織、器官和骨骼等一類高科技材料。其構(gòu)成多種多樣，可以是無(wú)機(jī)材料或有機(jī)高分子材料，亦或是復(fù)合材料。 其特點(diǎn)具有良好的生物相容性、生物降解性及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、抗菌性等。因此，具有廣大的發(fā)展空間，近年來(lái)其發(fā)展速度迅猛。 生物材料的定義 生物 材料是一類用于人體骨骼、組織和器官的診斷、修復(fù)或增進(jìn)其功能的高科技材料，其功能直接作用于需治療部位，其作用藥物是不可替代的?？?分為天然生物材料和人造生物材料。生物材料能直接或間接治療疾病或輔助修復(fù)損傷的骨骼，而不能恢復(fù)缺陷部位。 生物材料的發(fā)展概況 生物材料應(yīng)用生物學(xué)和人體工程學(xué)的原理，對(duì)生物材料定向的制備具有特定需要功能的生物技術(shù)。生物工程學(xué)從上世紀(jì) 70 年代初發(fā)展起來(lái)的，包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程等。 發(fā)展到 90 年代，生物材料技術(shù)發(fā)展迅猛，在當(dāng)時(shí)全球經(jīng)濟(jì) 危機(jī)的大背景下，生物材料卻每年保持著 13%的增長(zhǎng)，這充分體現(xiàn)了生物材料具有廣闊的發(fā)展空間和需求市場(chǎng)。 將生物材料真正的應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是未來(lái)的一個(gè)必然發(fā) 展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)醫(yī)用金屬、高分子、生物陶瓷等材料已不能滿足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的要求，實(shí)際上，生物材料用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有一些成果，例如：定向藥物釋放，微創(chuàng)治療等等。 當(dāng)前，我國(guó)生物材料學(xué)基礎(chǔ)研究有了重大發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展，但生物材料的產(chǎn)業(yè)化水平較低，產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，還不能滿足我國(guó)醫(yī)療保健的實(shí)際需求。因此國(guó)家實(shí)施了一系列政策和經(jīng)濟(jì)支持 ，刺激其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展速度，增強(qiáng)我國(guó)生物材料的自主創(chuàng)新能力，減少進(jìn)口需求并加大出口力度，擴(kuò)大中國(guó)生物材料在國(guó)際上的影響力。 新疆師范大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 2 頁(yè)，共 19 頁(yè) 生物材料的分類 生物材料品種多樣，應(yīng)用廣泛，其分類方法 也有多種。 （ 1） 按材料的屬性可分為： ； 材料； ； ； （ 2） 按材料的功能可分為： ； ；； ； 、人工合成疫苗等 （ 3） 按材料的 特性可分為： ； ； 解材料 （ 4） 按材料的來(lái)源可分為： ； ； 器官及組織； ； 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進(jìn)入人體內(nèi)后不引起排斥反應(yīng)。主要有血液相容性，不能引起凝血、溶血等不良排斥反應(yīng)，組織相容性，不能引起組織炎癥、排拒等不良排斥反應(yīng)。 （ 2）力學(xué)性能 生物材料在人體內(nèi)會(huì)經(jīng)歷周邊組織帶來(lái)的擠壓 、摩擦、沖擊等情況，因此，生物材料必須具有一定的機(jī)械強(qiáng)度才能滿足其功能需求。 （ 3）耐老化可降解 生物材料在人體內(nèi)有的只有幾小時(shí)或幾天，有的可長(zhǎng)達(dá)幾年甚至十幾年，短時(shí)間內(nèi)其作用完成后應(yīng)在人體內(nèi)自行降解，而長(zhǎng)時(shí)間則需要其具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠在人體內(nèi)長(zhǎng)期發(fā)揮作用。 （ 4）制作加工簡(jiǎn)便 生物材料在優(yōu)異的治療、修復(fù)和增進(jìn)的功能下，還應(yīng)容易制作和加工，且價(jià)格適中，適合大批量的工業(yè)化生產(chǎn)。 生物材料對(duì)人體的影響 生物材料植入人體內(nèi)后，可能對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生不適反應(yīng)。主要有局部的組織反應(yīng)和全身的免疫反應(yīng)。 （ 1）局部組織反應(yīng) ① 排異反應(yīng)：指人體內(nèi)植入異物，會(huì)在其周圍發(fā)生不同程度的炎癥反應(yīng)。人體不會(huì)很快代謝生物材料，就會(huì)在其周圍形成包囊，將生物材料與組織分隔開(kāi)，新疆師范大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 3 頁(yè)，共 19 頁(yè) 隨后包囊會(huì)纖維化且不斷增厚，最終鈣化變硬，引起局部持續(xù)性感染。 ② 鈣化：生物材料表面鈣化導(dǎo)致其喪失功能。這既有材料本身 的原因，也有機(jī)體的原因。例如：材料的性質(zhì)、 材料的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、局部營(yíng)養(yǎng)不良、死亡細(xì)胞的沉積等。 ③ 感染：生物材料植入人體內(nèi)引起感染是最常見(jiàn)的。其原因有材料的污染或材料本身易導(dǎo)致感染。因此，植入時(shí)應(yīng)嚴(yán)格消毒滅菌，避免植入失敗。 ④ 血液反應(yīng)：若生物材料植入人體會(huì)干涉人體循環(huán)系統(tǒng)或與血液接觸就易出現(xiàn)血栓。 ⑤ 腫瘤：生物材料的致癌盡管臨床極少見(jiàn)，但在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中卻屢見(jiàn)不鮮?？赡苡捎谥掳┪镔|(zhì)在生物材料上的聚集或包囊的突變。因此生物材料 不要使用刺激性強(qiáng)，有毒可溶物質(zhì)，盡可能使其表面粗糙，減少與組織的間隙。 （ 2）全身免疫反應(yīng) 生物材料植入人體可能會(huì)引起全身性免疫反應(yīng)，包括體液免疫反應(yīng)和細(xì)胞免疫反應(yīng)。常見(jiàn)于人工血管材料等于血液有直接接觸的生物材料。臨床上表現(xiàn)出過(guò)敏反應(yīng)、感染、惡性腫瘤的發(fā)生、軟組織鈣化或纖維化，尤其是肺的纖維化、動(dòng)脈硬化等。 骨修復(fù)材料 將生物材料用于人體骨修復(fù)領(lǐng)域中，是近年來(lái)一個(gè)研究熱點(diǎn)。骨修復(fù)支架材料 根據(jù)靶向釋放原理，利用生物材料攜帶促進(jìn)骨生長(zhǎng)的基因定向到達(dá)骨缺損位置，并且緩慢釋放促進(jìn)骨組織的再生，可以提高骨修復(fù)的效果 [1]。 本研究所使用的材料有明膠、殼聚糖、羥基磷灰石、氧化石墨烯。它們用于生物材料具 有其他材料沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺 點(diǎn)。 明膠 明膠 （ Gelatin， GE） 是以動(dòng)物的皮和骨骼為原料，經(jīng)過(guò)加工制成的一種無(wú)味，半透明黃色的顆粒、薄片或粉末。明膠的主要成分是多肽分子混合物，分子量可達(dá)幾萬(wàn)至十幾萬(wàn)。明膠是一種兩性物質(zhì)。等電點(diǎn)在 6 ~ 8 左右（ A 型），當(dāng)pH 等電點(diǎn) ，明膠帶正電荷，向電場(chǎng)陰極移動(dòng)，具有酸性。當(dāng) pH 等電點(diǎn)，明膠帶負(fù)電荷，向電場(chǎng)陽(yáng)極移動(dòng)，具有堿性。明膠分子結(jié)構(gòu)上有大量的羥基、羧基和氨基，所以明膠具有極強(qiáng)的親水性。 明膠在日常生活，生產(chǎn)制造方面有廣泛應(yīng)用： 膠廣泛用于糖果、罐頭、皮凍等食品 方面。 、片劑糖衣等。 膠還廣泛用于生產(chǎn)膠片、膠卷、醫(yī)用 X 光夾片等。 、印染、新疆師范大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 4 頁(yè)，共 19 頁(yè) 紡織、國(guó)防、航空、電子等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。 殼聚糖 殼聚糖 （ Chitosan， CS） 又名脫乙酰甲殼素，是由幾丁質(zhì)脫乙酰作用得到的，分子式： (C6H11NO4)N，單元體的分子量為 ，其結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。 圖 11 殼聚糖結(jié)構(gòu)圖 殼聚糖大分子中有活潑的羥基和氨基，具有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)能力。能發(fā)生水解、烷基化、?；?、羧甲基 化、磺化、硝化、鹵化、縮合和絡(luò)合等化學(xué)反應(yīng)，可生成許多具有不同性能的衍生物，擴(kuò)大了殼聚糖的應(yīng)用范圍。殼聚糖具有許多生理活性，如： ， ， ， 排泄重金屬， 。因此，殼聚糖具有廣泛的應(yīng)用，如： ， ， 。 羥基磷灰石 羥基磷灰石 （ Hydroxyapatite， HA） [Ca10(PO4)6(OH)2]是生物體骨骼和牙齒的主要無(wú)機(jī)成分，具有優(yōu)良的生物相容性。其植入人體后，鈣和磷會(huì)游離出材料表面被身體吸收并生長(zhǎng)出新的組織。有研究證明羥基磷灰石的晶粒越細(xì)，其生物相容性越高。因此，羥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，有粉末狀、片狀或溶液狀。其結(jié)構(gòu)如圖 12 所示，它具有兩親性，從其邊緣到中央呈現(xiàn)親水至疏水的性質(zhì)分布 。因此，氧化石墨烯可以降低其存在界面間的能量。 氧化石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，具有很高的比表面積和其表面有豐富的官能團(tuán)。 此外， GO 還有抗菌性 [2]，可被用來(lái)防止外部傷口的感染 [3]。因此，氧化石 墨烯用于生物復(fù)合材料的制備更是具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 新疆師范大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 5 頁(yè)，共 19 頁(yè) 圖 12 氧化石墨烯結(jié)構(gòu)圖 靜電紡絲技術(shù) 靜電紡絲技術(shù)如圖 13，它是將聚合物溶液運(yùn)送至電紡箱中針頭處，產(chǎn)生液滴，在電場(chǎng)的作用下形成泰勒錐，從尖端延展出纖維細(xì)絲，接收至下端的接收板上，形成納米級(jí)的纖維膜。 影響電紡出纖維膜的因素有以下幾點(diǎn)：（ 1）聚合物的分子量和分子結(jié)構(gòu)等、（ 2）溶液的濃度、粘度等 [4]、（ 3）電紡時(shí)電壓的大小、（ 4）針頭與接收板之間的距離、（ 5）電紡箱中的溫度、濕度等、（ 6）針頭的形狀。 利用靜電紡絲技術(shù)可以制備出具有良好生 物相容性和可降解性，以及較大的比表面積和孔隙率的生物材料 [5,6]。因此，本實(shí)驗(yàn)將采用靜電紡絲技術(shù)制備四元復(fù)合纖維。 圖 13 靜電紡絲技術(shù)原理圖 新疆師范大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 6 頁(yè)，共 19 頁(yè) 本實(shí)驗(yàn) 的研究 目的和內(nèi)容 隨著生物材料的發(fā)展，生物材料的制備從適應(yīng)生物環(huán)境向制備具有特殊功能的生物復(fù)合材料。近年來(lái)，制備出許多二元，甚至三元復(fù)合材料，它們具有 其他材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)及特殊功能，但在材料的機(jī)械強(qiáng)度、抗菌性等方面存在一些缺陷。 因此，本研究采用靜電紡絲技術(shù)制備 GE/CS/HA/GO 四元復(fù)合纖維材料。在 GE/CS/HA 三元復(fù)合纖維體系中加入 GO，將會(huì)提升復(fù)合纖維的機(jī)械強(qiáng)度和抗菌性。這也是本研究的創(chuàng)新點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)。 采用靜電紡絲技術(shù)制備出 GE/CS/HA/GO 四元復(fù)合纖維材料 。 （ 1） 人體骨是有一定的結(jié)構(gòu)，所以利用微圖案模板電紡纖維，會(huì)使復(fù)合纖維具有一定結(jié)構(gòu)，更利于發(fā)揮其功能 [7]。 在 GE/CS/HA 三元 體系 的最優(yōu)條件基礎(chǔ)上制備 GE/CS/HA/GO 四元復(fù)合纖維 ，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)其形貌進(jìn)行研究，探索添加 GO 的最優(yōu)濃度， 以及圖案化模板的選 擇。 （ 2）在 最優(yōu)條件下制備的 四元復(fù)合纖維在 模擬 體液環(huán)境下 ， 考察其 對(duì)牛血清蛋白 的 吸附量 。 考察 BSA 的初始濃度、 BSA 的 pH、和 BSA 吸附時(shí)間對(duì)其吸附蛋白的影響。 （ 3） 無(wú)序化和 圖案化 GE/CS/HA/GO 四元復(fù)合纖維 進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試， 考察其在力學(xué)方面的性能。 新疆師范大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 7 頁(yè)，共 19 頁(yè) 材料與試劑 表 21 材料和試劑 名稱 規(guī)格 廠家 明膠 化學(xué)純 北京化工廠 殼聚糖 分析純 浙江金殼生物化學(xué)有限公司 羥基磷灰石 分析純 上海華藍(lán)化學(xué)科技有限公司 氧化石墨烯 分析純 上海山浦化工有限公司 高錳酸鉀 分析純 陜西省西安化玻站總經(jīng)銷 磷酸二氫銨 分析純 天津市盛奧化學(xué)試劑有限公司 氯化鈉 分析純 天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司 氯化鉀 分析純 天津永晟精細(xì)化工有限公司 磷酸二氫鉀 分析純 天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司 磷酸氫二鈉 分析純 天津永晟精細(xì)化工有限公司 過(guò)氧化氫 分