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仿生学已成为科研工作者开发新材料,提出新构想和解决工程技术疑难问题最主要的创新来源。人体关节系统匹配人体活动产生极其复杂的功能,软硬界面性能对维持关节功能正常运行尤为重要。水凝胶具有独特的高含水量三维网络结构是制造功能性生物材料的理想材料。聚醚醚酮(PEEK)具有优异的机械性能和生物力学相容性,已成为人工关节材料研究热点之一。本文通过仿生学的策略,从人体关节微观结构组成出发,自下而上制备了多层仿生关节结构材料。通过简单的磺化处理工艺将惰性PEEK高分子聚合物表面组成与结构活化,构建疏松多孔的仿生骨小梁结构。在此基础上,采用紫外诱导表面自引发接枝聚合技术在PEEK表面接枝固化交联互穿凝胶网络,结合聚乙烯醇(PVA)可逆物理交联水凝胶成型工艺,实现了 PVA与紫外固化凝胶和疏水PEEK界面间的牢固连接。通过SEM和能谱仪等检测手段对仿生关节断面微观组织和成分进行表征分析,并采用胶粘剂搭接剪切强度和弹性体与被黏附物界面剥离强度测试方法,对制备的三层仿生关节材料界面性能进行测试,系统研究了胶体乳液成分配比对仿生关节材料界面强度的影响。1.通过对人体运动关节复杂精密的多尺度结构的研究,提炼出有助于仿生关节制备有用信息,从结构仿生和材料仿生的角度出发,设计出软硬界面相结合的多层梯度复合材料方式,使其具有抗冲击,低摩擦的力学性能,构建出仿生关节结构的物理模型。2.通过湿化学的简易方法对PEEK表面进行磺化处理。ATR-IR和接触角分析表明,亲水性磺酸基团S03H成功引入到疏水惰性的PEEK聚合物链上,水接触角最高降低26.5%。金相显微形貌和SEM对磺化PEEK宏观和微观结构表征结果表明,S03H基团不仅极大的改变了 PEEK链上的化学组成,更形成多尺度网络微孔结构。磺化膜表面微米级的柱形孔洞结构和纳米尺度的圆孔互传网络共同作用下使表面产生浸润能力。正是这种与关节骨小梁相似的多孔物理结构和亲水化学成分共同作用下提高PEEK材料的亲水性能。具有仿生多孔骨小梁结构的最佳制备工艺为磺化处理10分钟。3.设计可行的紫外辐照装置,通过紫外固化胶体乳液于磺化PEEK表面形成接枝固化弹性体过渡层,仿生关节结构制备水凝胶粘接PEEK仿生人工关节材料。仿生人工关节材料界面剪切强度测试表明,紫外辐照固化后的胶体乳液中硅烷偶联剂有显著性影响,当硅烷偶联剂浓度较高时,PEEK基材界面剪切破坏发生在磺化膜层的内部,可与PEEK形成牢固的粘接,最优胶体质量配比为5%硅烷偶联剂,9%PVA,剪切强度达到5.28 MPa。水凝胶在仿生人工关节材料上的界面剥离强度随着复配乳液中PVA浓度的提高而增强,而偶联剂的用量与PVA胶体浓度协同作用下显著改变了界面上水凝胶的剥离强度,4.采用紫外诱导组装制备法,于基材表面形成蠕虫状胶束串褶皱图案,仿生构建钙化软骨粘接过渡层。通过SEM和EDS测试分析仿生关节结构和成分,并对可能的反应机理进行讨论。仿生人工关节材料的界面强度测试结果表明,PVA浓度对界面粘接强度影响最大,胶体乳液最优质量配比组合为7%PVA、2%丙烯酰胺(Am)、3%硅烷偶联剂。硅烷偶联剂同时是影响仿生关节材料界面粘接强度的重要影响因素,显著提高了仿生关节材料的结构强度和耐水强度,Am单体与硅烷偶联剂交联后与PVA形成网络互穿结构增强了界面上的黏附功,水凝胶粘接界面剥离强度的最优胶体质量配比为3%硅烷偶联剂、10%Am、7%PVA,最大界面剥离强度可达1113.8N/m,其强度和软骨与骨的界面韧性相当。图:[34];表:[8];参考文献:[104]