聚乳酸和一类缺陷羟基磷灰石界面相互作用机理的第一性原理研究

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羟基磷灰石填充的纳米复合材料在生物医学领域应用广泛。探索有机相和羟基磷灰石界面作用机理无论对理论研究还是指导实际应用中都具有重要意义。由于缺陷羟基磷灰石具有更高的表面活性,因而研究更接近实际的带缺陷的羟基磷灰石界面和有机相的相互作用机理很有必要。本文主要使用密度泛函理论(DFT)方法(GGA-PBE)构建了一个缺陷羟基磷灰石模型(D-HA),并考察了聚乳酸(PLA)与其表面的相互作用情况,以期望能帮助人们对有机物基纳米复合材料间的作用本质有一个更深入的认识。为了能够得到更加接近实际的羟基磷灰石缺陷表面,一个更合理的电荷补偿机制和更低的表面能结构是十分必要的。鉴于此,本文第三章首先从实验事实中抽象出一个包含主要杂质粒子的缺陷羟基磷灰石一维模型,然后以这个模型为基础建立了一个描述宏观参数特征映射到微观粒子数目的对应法则。进一步根据这个模型以及一些容易测量的且符合实际情况的参数特殊值,便得到了缺陷羟基磷灰石的二维模型,分子式为Ca8[(HPO43(PO42(CO3)](OH)2。然后以这个分子式所确定的各个离子的数目为参考,使用基于DFT的CASTEP软件包优化结构、计算能量,逐步地搜索筛选,最后得到了稳定的缺陷羟基磷灰石的几何结构。这个结构中的CO32-等粒子的结构和位置特征和文献中报道的类似结构基本一致。同时我们还详细考察了其(001)面的几何特征以及形成的原因。论文第四章我们进一步考察了PLA模型在D-H(001)面上的吸附行为。为了精确描述氢键,我们使用了700eV的平面波截断能。我们观察到在每个重复单元表面有两个P-OH,而只有一个可以被PLA中的羰基氧所捕捉。同时我们还注意到,羰基氧除了和缺陷羟基磷灰石表面的钙离子相互作用外,还有两类氢键相互作用。一种便是上面所提到的羰基氧捕捉到P-OH中的氢情形,属于中等强度的氢键,键长为1.69(?),键能为48kJ·mol-1;另外一种便是较弱的氢键相互作用。它们是PLA中甲基和亚甲基中的氢与磷酸根或者磷酸一氢根中的氧之间的相互作用,其键长大约是2.48(?),键能大约是9kJ·mol-1。此过程中我们主要使用了PDOS来分析氢键是否存在。
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