生物醫(yī)用材料工藝課程ppt

1、1元素?fù)诫s羥基磷灰石粉體及陶瓷-磷酸三鈣納米涂層的電泳法制備及其表面蛋白質(zhì)吸附行為卵磷脂囊泡仿生礦化行為CQDs輔助的HA制備2元素?fù)诫s羥基磷灰石粉體及陶瓷性能研究3CONTANTS化學(xué)沉淀法水熱法方法介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)結(jié)果方法介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)結(jié)果4方法介紹化學(xué)沉淀法最常用的一種方法，此法是利用可溶性鈣鹽與磷酸鹽溶液的復(fù)分解反應(yīng)，將反應(yīng)得到的沉淀物過(guò)濾、洗滌、干燥、煅燒即可得到相應(yīng)的鈣磷粉體。成本低產(chǎn)量大工藝簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)易團(tuán)聚難控制顆粒大缺點(diǎn)缺點(diǎn)5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 生物陶瓷 元素?fù)诫s納米磷灰石粉體： Si摻雜羥基磷灰石 Se摻雜羥基磷灰石 冷等靜壓沉淀法 合成原料：硝酸鈣（Ca源）磷酸銨（P源）正硅酸四

2、乙酯（Si源）亞硒酸鈉（Se源） 物相組成 表面官能團(tuán) 熱穩(wěn)定性燒結(jié)燒結(jié) 單軸成型 形貌表征 燒結(jié)性能6實(shí)驗(yàn)結(jié)果摻Si-HA前軀體：表1. 不同摻硅羥基磷灰石元素摩爾組成Samplesn(Ca) (mol)n(P) (mol)n(Si) (mol)Ca/PCa/(P+Si)HA0.98220.606301.6201.6200.8Si-HA0.97230.57810.025481.6821.6111.5Si-HA0.96510.57280.052761.6851.5433.0Si-HA0.94330.57920.06281.6291.4704.0Si-HA0.91740.57020.08701.

3、6091.3964.5Si-HA0.92100.54980.12201.6751.3715.0Si-HA0.90730.54130.13481.6761.342缺鈣磷灰石，摻Si量越大，Ca/(P+Si)越?。磺膀?qū)體中含有無(wú)定形HA相。圖1. (a) HA, (b) 4.0 Si-HA, (c) 5.0 Si-HA 前驅(qū)體粉體TEM、SEAD和EDS圖7摻Si-HA前驅(qū)體物相組成分析前驅(qū)體含有無(wú)定形HA相結(jié)晶度降低，出現(xiàn)彌散峰 Pure HA0.8Si-HA1.5Si-HA3.0Si-HA4.0Si-HA4.5Si-HA5.0Si-HARwp (%)4.864.954.574.54.794.6

4、4.9522.902.952.562.362.782.522.96Percentages (%)12283240485760表2. 05.0 Si-HA前驅(qū)體中無(wú)定形HA含量隨摻硅量變化用Rietveld 精修定量計(jì)算前驅(qū)體中無(wú)定形HA的含量：apapstst=XmmXTapglassT=MmWM（-）圖2. 不同摻硅量的Si-HA前驅(qū)體XRD圖；其中(a) HA, (b) 0.8 Si-HA, (c) 1.5 Si-HA, (d) 3.0 Si-HA, (e) 4.0 Si-HA, (f) 4.5 Si-HA和 (g) 5.0 Si-HA8摻Si-HA粉體官能團(tuán)分析（FT-IR）圖3. 不同

5、摻硅量HA（a）前驅(qū)體（b）1000 燒結(jié)4 h 粉體FT-IR圖；（a）和（b）為1200400 cm1局部放大圖， HA (curve i), 0.8 Si-HA (curve ii), 1.5 Si-HA (curve iii), 3.0 Si-HA (curve iv), 4.0 Si-HA (curve v), 4.5 Si-HA (curve vi), and 5.0 Si-HA (curve vii)Si1.5wt%時(shí)，時(shí)，SiO44- ；Si1.5 wt%時(shí)，無(wú)定形時(shí)，無(wú)定形SiO2相；相；分析分析PO43-紅外吸收峰發(fā)現(xiàn)熱處紅外吸收峰發(fā)現(xiàn)熱處理后理后有有-TCP形成。形成。9

6、圖4. (a) 1.5 Si-HA, (b) 4.0 Si-HA和 (c) 5.0 Si-HA 前驅(qū)體粉體；1000 4h燒結(jié)(d) 1.5 Si-HA, (e) 4.0 Si-HA和 (f) 5.0 Si-HA粉體 XPS Si 2p圖摻Si-HA：硅元素化學(xué)狀態(tài)分析(XPS)分析樣品表面硅元素的化學(xué)狀態(tài)研究反應(yīng)過(guò)程中硅元素的作用熱處理后無(wú)定形SiO2消失， SiO2參與相分解過(guò)程10摻Si-HA：反應(yīng)溫度對(duì)粉體熱穩(wěn)定性分析熱穩(wěn)定性增強(qiáng)圖5. (a) 30, (b) 50和(c) 80 合成的Si-HA前驅(qū)體10004 h熱處理后XRD圖，其中ad分別表示HA，1.5 Si-HA，3.0 S

7、i-HA和4.0 Si-HA反應(yīng)溫度越高，熱穩(wěn)定性越好11摻Si-HA陶瓷表面形貌圖6. 不同摻硅量陶瓷片鳥(niǎo)瞰圖及SEM圖；其中(a) HA, (b) 0.8 Si-HA, (c) 1.5 Se-HA, (d) 2 Si-HA (e) 3 Si-HA, (f) 4 Si-HA摻雜量越多，陶瓷片收縮率減小表面形貌氣孔增大，晶粒尺寸減小。摻硅抑制陶瓷的致密化12摻Si-HA：機(jī)理分析為什么能夠在1000 （低溫）時(shí)得到-TCP相？無(wú)定形HA前驅(qū)體sinterSi-TCPSilicaSiO2+HA Si-TCPSiO44-進(jìn)入進(jìn)入-TCP使其在低使其在低溫下穩(wěn)定存在溫下穩(wěn)定存在13摻Se-HA前驅(qū)體

8、元素組成及形貌分析摻Se-HA前軀體：abcddfa1c1d1ee1b1圖7. 前驅(qū)體粉體SEM和EDS圖(a) HA, (b) Se/P=0.01Se-HA, (c) Se/P=0.05Se-HA, (d)Se/P=0.3Se-HA, (e) Se/P=0.5Se-HA和 (f) Se/P=1Se-HA 14Samplesn(Ca)(mol)n(P) (mol)n(Se) (mol)Se/PCa/(P+Se)HA1.00680.61290-1.64250.05Se-HA0.99020.59230.02250.03801.61050.1Se-HA0.96980.57410.04440.0773

9、1.56790.3Se-HA0.92180.50020.11590.23171.49620.5Se-HA0.90140.42800.1020.40221.50101.0 Se-HA0.83790.34100.26010.76291.3940前驅(qū)體為缺鈣磷灰石；Fig. 8. TEM images of (a) HA, (b) Se/P = 0.05, (c) Se/P = 0.1, (d) Se/P = 0.3, and (e) Se/P = 0.5 samples.摻Se-HA前驅(qū)體元素組成及形貌分析Table 3 Molar ratios of samples determined by

10、XRF 15前驅(qū)體： CO32-、SeO32- 摻入到晶格結(jié)構(gòu)中Fig.9. XRD patterns of samples : (a) HA, (b) Se/P = 0.05, (c) Se/P = 0.08, (d) Se/P = 0.1, (e) Se/P = 0.3, (f) Se/P = 0.5, (g) Se/P = 1, (h) Se/P = 3, and (i) Se/P = 5Fig.10. FTIR spectra of samples : (a) HA, (b) Se/P = 0.05, (c) Se/P = 0.08, (d) Se/P = 0.1, and (e) S

11、e/P = 0.3 Se/P0.5開(kāi)始出現(xiàn)雜相摻Se-HA粉體官能團(tuán)分析16Table 4 Structural parameters of HA and Se-HA samples determined by Rietveld refinement. Rietveld 精修計(jì)算發(fā)現(xiàn) ，Se進(jìn)入HA晶格，a軸增大，c軸減小，晶胞體積增大。摻Se-HA粉體結(jié)構(gòu)精修17 SeO32-的摻入占據(jù)PO43-的位置，同時(shí)釋放少量OH-和Ca2+，使晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空位V0Ca、V0O。Fig. 11. Schematic diagrams of the cell structures of (a) HA a

12、nd (b) Se-HA.Table 5 Bond lengths and bond angles of the phosphate groups determined by Rietveld.摻Se-HA粉體結(jié)構(gòu)精修18Fig. 12. XRD patterns of HA and Se-HA samples with different Se/P ratios sintered at (a) 700, (b) 900, (c) 1100, and (d) 1200 C.Fig. 13. XRD patterns of pure HA and Se-HA samples with diffe

13、rent Se/P ratios sintered at 1100 C摻Se-HA粉體熱穩(wěn)定性分析19Fig. 14. FTIR spectra of HA and Se-HA samples with different Se/P ratios sintered at (a) 900 and (b) 1100 C.900： 出現(xiàn)了出現(xiàn)了SeO32- 峰。峰。1100：SeO32- 消失，消失，3674cm-1處出現(xiàn)了游離的處出現(xiàn)了游離的-OH峰峰在在T900時(shí)，時(shí)，SeO32-會(huì)發(fā)生分解，與會(huì)發(fā)生分解，與XRD結(jié)果一致。結(jié)果一致。摻Se-HA粉體熱穩(wěn)定性分析20Fig. 15 SEM and

14、 photo images of ；(a) HA, (b) Se/P=0.05Se-HA, (c) Se/P=0.1Se-HA, (d) Se/P=0.3Se-HA (e) Se/P=0.5Se-HA, (f) Se/P=1Se-HA,摻Se-HA陶瓷形貌分析摻雜量越多， 陶瓷片收縮率越大； 表面形貌氣孔減少，晶粒尺寸越小。21方法介紹水熱法水熱法是在特定的密閉反應(yīng)容器中（反應(yīng)釜），采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，在高溫高壓環(huán)境中，使得原來(lái)難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶的方法。顆粒小晶粒完整、分布均勻易控制優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)量小成本高缺點(diǎn)缺點(diǎn)22實(shí)驗(yàn)內(nèi)容水熱法水熱法羥基磷灰石陶瓷粉體原料的合成步驟混合攪拌、調(diào)節(jié)

15、混合攪拌、調(diào)節(jié)pH鈣源鈣源磷源磷源倒入高溫高壓反應(yīng)釜倒入高溫高壓反應(yīng)釜離心、干燥離心、干燥HA粉體粉體23實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖16. 不同硅摻雜含量羥基磷灰石透射電鏡形貌圖，(a) HA; (b) 0.8Si-HA; (c) 1.5Si-HA; (d) 2.0Si-HA; (e) 4.0 Si-HA 水熱法合成摻硅磷灰石結(jié)晶度好結(jié)晶度好24圖17 不同硅摻雜含量羥基磷灰石1200 C燒結(jié)10 h XRD 圖，(a) HA; (b) 0.8 Si-HA; (c) 1.5 Si-HA; (d) 2.0 Si-HA; (e) 4.0 Si-HA和濕法合成相同，隨和濕法合成相同，隨著摻硅量增加，燒結(jié)著摻硅量增加

16、，燒結(jié)后形成后形成 Si-TCP 相相水熱法合成摻硅磷灰石25圖18 不同硅摻雜磷灰石陶瓷1200 C燒結(jié)10 h表面形貌圖, (a) HA; (b) 0.8 Si-HA; (c) 1.5 Si-HA; (d) 2.0 Si-HA; (e) 4.0 Si-HA水熱法合成摻硅磷灰石摻硅抑制陶瓷致密化摻硅抑制陶瓷致密化26圖19 不同硅摻雜羥基磷灰石陶瓷121 C水熱30 min表面形貌圖， (a) HA; (b) 0.8 Si-HA; (c) 1.5 Si-HA; (d) 2.0 Si-HA; (e) 4.0 Si-HA表面水熱處理后得到納米磷表面水熱處理后得到納米磷灰石晶須灰石晶須水熱法合成摻

17、硅磷灰石27我們畢業(yè)啦其實(shí)是答辯的標(biāo)題地方-磷酸三鈣納米涂層的電泳法制備及其表面蛋白質(zhì)吸附行為研究28研究背景CONTANTS實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)果討論實(shí)驗(yàn)結(jié)論29細(xì)胞黏附鋪展示意圖材料表面對(duì)細(xì)胞的影響或引起的宿主反應(yīng)實(shí)際上是通過(guò)影響蛋白質(zhì)在材料表面的吸附行為來(lái)實(shí)現(xiàn)的。蛋白質(zhì)與材料之間的相互作用研究背景30研究蛋白質(zhì)吸附的方法DTimeffDf (頻率變化） 吸附層的質(zhì)量D(耗散因子 ) 吸附層的粘彈性DQCM-D數(shù)據(jù)輸出圖生物化學(xué)法現(xiàn)代儀器分析法比色法免疫學(xué)方法熒光標(biāo)記法放射性同位素標(biāo)記法表面等離子共振SPR橢圓偏振光法ELM原子力顯微鏡AFM石英晶體微天平QCM-D研究背景31良好的生物降解性良好的

18、生物相容性和骨傳導(dǎo)性生物活性和骨誘導(dǎo)性具有廣闊的應(yīng)用前景商業(yè)化的磷酸鈣生物陶瓷 Ref：Biomaterials, 2010, 31(7): 1465-1485.-磷酸三鈣（-TCP）的優(yōu)點(diǎn)研究背景32制備涂層的技術(shù)和使用的蛋白質(zhì)種類(lèi)電泳沉積示意圖離子噴涂法化學(xué)仿生法電泳沉積法脈沖激光沉積法離子束濺射沉積法優(yōu)點(diǎn)u 裝備簡(jiǎn)單u 成型時(shí)間短u 沉積過(guò)程易控涂層技術(shù)蛋白質(zhì)種類(lèi)酸性蛋白質(zhì)牛血清白蛋白BSA堿性蛋白質(zhì)溶菌酶LSZ對(duì)比作用研究背景33實(shí)驗(yàn)內(nèi)容流程圖沉淀法合成-TCP粉體穩(wěn)定懸浮液納米涂層蛋白質(zhì)吸附球磨、靜置電泳沉積QCM-D技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容四水硝酸鈣為鈣源，磷酸氫二銨為磷源，Ca/P摩爾比為1

19、.5，pH保持在6。5-7.0，800下煅燒3h。取-TCP粉體以質(zhì)量比1:100加入到乙醇中，球磨12h，靜置6h得到穩(wěn)定的懸浮液。金片作負(fù)極，鉑電極作正極，在電場(chǎng)強(qiáng)度25V/cm下電泳5min得到合適的納米涂層。蛋白質(zhì)溶于PBS中，待PBS將QCM儀器基線(xiàn)跑平之后，再通入蛋白質(zhì)溶液。34-TCP粉體制備圖20 -TCP的XRD及電鏡圖結(jié)果討論合成的粉體為純相-TCP，且為類(lèi)球狀顆粒35-TCP穩(wěn)定懸浮液圖21 懸浮液電導(dǎo)率隨時(shí)間變化圖用電導(dǎo)率表征懸浮液的穩(wěn)定性，6h電導(dǎo)率增加趨于穩(wěn)定，懸浮液基本穩(wěn)定. 結(jié)果討論36不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于-TCP納米涂層的影響圖22.不同電場(chǎng)強(qiáng)度下-TCP納米涂層

20、AFM形貌圖結(jié)構(gòu)：a).金片. b).25V/cm. c).100V/cm 隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加表面沉積量增加，沉積顆粒增大，表面粗糙度增大。粗糙度分別為：a).0.500.04nm.b).0.860.02nm.c).2.040.14nm結(jié)果討論37不同電泳時(shí)間對(duì)于-TCP納米涂層的影響圖23. 25V/cm下不同電泳時(shí)間下-TCP納米涂層AFM形貌圖結(jié)構(gòu)：a).1min. b).5min. c).10min 隨著電泳時(shí)間的增加表面沉積量增加，沉積顆粒增大，表面粗糙度增大。電泳5min后涂層顆粒大小適中且鍍層較為均勻，適用于QCM-D技術(shù)。粗糙度分別為：a).0.860.02nm.b).2.13

21、0.08nm.c).2.750.24nm.結(jié)果討論38涂層表面性質(zhì)圖24. 金片與25V/cm下電泳5min -TCP納米涂層AFM 3D高度圖對(duì)比在5 5 m2 AFM測(cè)量范圍內(nèi)金片和涂層的面積分別為： 25.018 0.012 和 25.135 0.034 m2（粗糙度造成涂層面積比金片面積稍大）。且涂層表面電勢(shì)相對(duì)比金片表面高140 10mv。結(jié)果討論39涂層親疏水性圖25. 金片與25V/cm下電泳5min -TCP納米涂層接觸角大小對(duì)比金片和涂層的接觸角大小分別為：77.41.0、65.00.9。金片表面更為疏水，疏水性強(qiáng)的表面傾向于吸附更多的蛋白質(zhì)。結(jié)果討論40BSA吸附行為研究圖26. BSA吸附頻率與耗散值隨時(shí)間變化圖f迅速降低伴隨著D迅速增加，很快達(dá)到平衡。說(shuō)明BSA迅速鋪展在材料表面，很快達(dá)到平衡。蛋白質(zhì)溶劑為PBS，下同。結(jié)果討論41LSZ吸附行為研究圖27. LSZ吸附頻率與耗散值隨時(shí)間變化圖f迅速降低伴隨著D迅速增加，而后f 緩慢降低D 緩慢增加。說(shuō)明LSZ先快速吸附在材料表面，然后吸附量緩慢增加。結(jié)果討論42基材表面性質(zhì)對(duì)于蛋白質(zhì)吸附量的影響蛋白質(zhì)吸附量粗糙度親疏水性靜電作用利于/不利于-TCP上的BSA吸附利于/不利于-TCP上的LSZ吸附靜電作用起到主要作用。結(jié)果討論43納米涂層沉積量、沉積顆粒大小和粗糙度隨著