论文部分内容阅读
钙硅基陶瓷大多具有优良的生物活性和生物相容性,是修复人体骨缺损较为理想的候选材料。但是,作为硅酸盐材料,大部分钙硅基陶瓷烧结性能差,难致密成型。而目前所报道的钙硅基陶瓷主要采用传统的无压烧结方法制备,致密化程度低,力学性能不理想,难以满足承重生物材料力学性能要求。因此,探索新型烧结方法和烧结工艺,调控陶瓷微观结构,制备具有优良生物活性、细胞相容性和力学性能的钙硅基陶瓷对于组织缺损修复具有重要意义。本文采用放电等离子体烧结技术制备出致密的硅酸二钙陶瓷、硅酸三钙陶瓷、镁黄长石陶瓷和硅灰石/钛硅碳复合材料,并对这些材料的烧结性能、微观结构、力学性能、生物活性和生物相容性进行研究。具体研究内容和结果如下:
1.分别采用化学共沉淀法合成出纯度较高,满足生物材料基本要求的β-CaSiO3,.(B)-Ca2SiO4、γ-Ca2SiO4、Ca3SiO5、Ca2MgSi2O7粉体。以Ti、Si、C及Al粉为原料,采用SPS技术,在1280℃原位反应烧结合成了高纯Ti3SiC2粉体。
2.以合成的粉体为原料,利用SPS技术烧结制备了相对密度均超过97％的β-Ca2SiO4陶瓷、Ca3SiO5陶瓷和Ca2MgSi2O7陶瓷,探索烧结工艺对陶瓷致密度和力学性能影响。研究结果表明,提高烧结温度可显著提高材料的密度。过高烧结温度,材料因过烧和晶粒异常长大将导致其力学性能恶化。
3.采用SPS制各的三种钙硅基陶瓷因具有高致密度和细小的晶粒尺寸,力学性能得到显著提高。SPS烧结制备的β-Ca2SiO4陶瓷抗弯强度达到293 Mpa,相比无压烧结的陶瓷提高了11倍以上;断裂韧性为2.95 Mpa·ml/2,为Hap陶瓷断裂韧性的2倍以上;而Ca3SiO5陶瓷抗弯强度可达到168 Mpa,相比无压烧结的陶瓷提高了80%以上。SPS烧结的Ca2MgSi207陶瓷力学性能略优于Ca3SiO5陶瓷。
4.β-Ca2SiO4陶瓷、Ca3SiO5陶瓷和Ca2MgSi2O7陶瓷都具有良好的生物活性,在模拟体液中浸泡实验中三种陶瓷皆可在表面诱导羟基磷灰石沉积。但硅酸三钙陶瓷在模拟体液浸泡过程中表面部分发生水化作用,产生CaCO3结晶沉淀,对羟基磷灰石结晶形貌产生影响。Ca2MgSi2O7陶瓷中镁离子的溶出削弱了陶瓷诱导羟基磷灰石形成能力。此外,三种陶瓷均可支持骨髓间充质干细胞快速贴壁和伸展,表现出优良的细胞相容性。
5.将β-CaSiO3粉体与Ti3SiC2粉体按不同比例混合,采用SPS技术在950±20℃制备了致密度超过95%的β-CaSiO3/Ti3SiC2复合陶瓷。Ti3SiC2的添加可显著提高β-CaSiO3/Ti3SiC2复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性,但生物活性相应降低。当Ti3SiC2含量达到40 vol.%时,复合陶瓷抗弯强度达到442 Mpa,断裂韧性为3.6 Mpa·ml/2;添加20 vol.%Ti3SiC2后,复合材料仍具有较好的生物活性。Ti3SiC2相对复合材料细胞相容性没有影响,不同Ti3SiC2含量的β-CaSiO3/Ti3SiC2复合陶瓷都展现了良好的细胞相容性。