PVP/PVA复合水凝胶人工髓核的制备与性能研究

论文摘要

人工髓核置换法被认为是一种最有前途的治疗椎间盘早期病变的方法。本实验采用循环冷冻解冻法制备PVP/PVA复合水凝胶人工髓核材料,并对相关性能进行了评价,主要内容包括：1.采用冷冻解冻方法制备的PVP/PVA复合水凝胶。其表面形貌为三维多孔网络结构。随着PVA聚合度和PVP含量的增加,材料内部孔隙率下降,孔径变小,结构更为致密。PVP加入后与PVA分子链间发生了相互作用,形成了氢键,影响PVA分子间的氢键键合,改变了PVA分子的规整排布。2.通过XRD和DSC两种方法测试材料的结晶度表明：结晶度随聚合度的增加明显降低；加入1wt%PVP对结晶度影响不大,当PVP含量为5wt%和10wt%时,结晶度较纯的凝胶样品显著减小。两种方法由于测试原理不用,所得数值有所差异,但是结晶度大小随PVA聚合度以及PVP含量的变化规律是一致的。3.复合水凝胶样品的平衡溶胀率都在400%以上,且随PVA聚合度的增加而显著下降,PVP含量的增加亦会增大水凝胶的平衡溶胀率。干燥后的水凝胶样品体积比原来减少80%以上,有利于微创手术的进行。在二次溶胀过程中,样品在48 h后可以达到最大溶胀度的85%以上；PVA聚合度大的试样,溶胀越快；溶胀液的pH值越大,溶胀速度越慢,且变化明显。4.复合凝胶材料非围限压缩应力应变响应符合多项式变化规律,呈现出典型的非线性关系,与人体软组织的压缩应力应变响应一致。压缩强度随PVA聚合度增大而增加,随PVP含量的增多先变大后减小,PVP含量1wt%的水凝胶样品压缩力学强度最高；包覆后水凝胶的压缩强度大幅上升。压缩切线模量具有明显的应变相关性,服从指数函数的变化关系,且随PVA聚合度的增加而增大,随PVP含量的增大而降低,包覆后的水凝胶压缩切线模量比未包覆的样品高。PVP/PVA复合水凝胶经过周期为50000次的压缩疲劳实验后,表现出良好的抗疲劳性能。压缩疲劳后样品的模量、高度和质量能在48h内恢复到疲劳前水平的90%以上。PVA聚合度高的样品抗疲劳性能较优。当PVA聚合度相同时,含1wt%PVP的复合水凝胶恢复能力强,抗疲劳性能好。5.复合水凝胶具有类似于天然髓核的粘弹性。建立的广义Maxwell模型和广义Viogt模型分别能够很好的模拟材料的应力松弛和蠕变性能。材料的应力松弛特性为：应变量越大,松弛时间越短,消散冲击应力的能力增强,速度加快；PVA聚合度越大,材料松弛时间缩短,但消散冲击的能力降低；PVP含量为1wt%的水凝胶样品应力松弛性能相对较好。包覆超高分子量聚乙烯纤维布后使样品的松弛特性变化较大,松弛时间显著增长。材料压缩蠕变的性能为：随着PVA聚合度的增加,材料推迟时间变长,蠕变速率减慢；PVP含量为1wt%的复合水凝胶平衡蠕变柔量最大,推迟时间较短,能在较短的时间内达到蠕变平衡,蠕变性能最优。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及选题意义
• 1.2 椎间盘的结构及性
• 1.2.1 椎间盘的结构
• 1.2.2 椎间盘的力学性能
• 1.3 椎间盘病变及其治疗方法
• 1.3.1 保守治疗法
• 1.3.2 外科手术疗法
• 1.3.3 全椎间盘置换
• 1.3.4 椎间盘弥补术
• 1.3.5 人工髓核置换法
• 1.3.6 组织工程治疗法
• 1.4 聚乙烯醇水凝胶人工髓核置换材料
• 1.4.1 结构及合成方法
• 1.4.2 力学性能
• 1.4.3 溶胀性能
• 1.4.4 疲劳与蠕变性能
• 1.4.5 PVP/PVA复合水凝胶
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 PVP/PVA复合水凝胶的制备及表征
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 实验材料和仪器
• 2.2.2 PVP/PVA复合水凝胶材料的制备
• 2.2.3 结构表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 制备工艺的选择
• 2.3.2 FT-IR分析
• 2.3.3 显微形貌分析
• 2.4 小结
• 第三章 PVP/PVA复合水凝胶的结晶性能
• 3.1 引言
• 3.2 X射线衍射光谱法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.3 差示扫描量热法
• 3.3.1 实验材料及仪器
• 3.3.2 实验方法
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 第四章 PVP/PVA复合水凝胶材料的溶胀性能
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验材料和仪器
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 平衡溶胀率
• 4.3.2 体积收缩率
• 4.3.3 二次溶胀率
• 4.3.4 溶胀动力学
• 4.4 小结
• 第五章 PVP/PVA复合水凝胶的压缩及抗疲劳性能
• 5.1 引言
• 5.2 水凝胶髓核假体的设计和制备
• 5.2.1 人工髓核假体的设计要求
• 5.2.2 材料
• 5.2.3 形状与尺寸
• 5.2.4 包覆物
• 5.2.5 PVP/PVA复合水凝胶人工髓核假体的制备
• 5.3 非围限压缩性能测试
• 5.3.1 压缩应力应变
• 5.3.2 压缩强度
• 5.3.3 模量
• 5.4 压缩疲劳性能研究
• 5.4.1 实验材料和仪器
• 5.4.2 实验条件和方法
• 5.4.3 结果与讨论
• 5.5 小结
• 第六章 PVP/PVA复合水凝胶材料的应力松弛特性
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 实验方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 应力松弛力学模型
• 6.3.2 水凝胶材料应力松弛特性
• 6.3.3 水凝胶材料的应力松弛力学模型
• 6.3.4 应力松弛的影响因素
• 6.4 小结
• 第七章 PVP/PVA复合水凝胶的蠕变特性
• 7.1 引言
• 7.2 材料和方法
• 7.2.1 实验材料
• 7.2.2 实验方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 水凝胶材料蠕变特性
• 7.3.2 水凝胶材料的蠕变力学模型
• 7.3.3 蠕变的影响因素
• 7.4 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的论文发表及论著撰写情况