碳纳米管/氟代羟基磷灰石生物复合陶瓷的制备及表征

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近些年来,随着生物科学的快速发展,无机生物材料的应用得到广泛的关注,其中羟基磷灰石(HA)生物陶瓷材料在临床应用上取得了重大突破。HA作为一种无机生物材料,它与生物体内的牙齿、骨骼等有着十分类似的组织结构和化学成分。经过多年的相关研究发现,HA具有良好的生物相容性和生物活性,植入生物体后,组织细胞未表现出强烈的排斥反应,可与骨组织形成很强的化学结合,为新骨的形成提供支架,起到骨传导作用,是一种合适的骨组织替代材料。但是一方面由于HA的力学性能差,限制了其在承重部位的应用;另一方面HA在体液中的溶解速率过快,会导致它过早的失效。因此针对HA的以上缺陷,本文制备了碳纳米管/氟代羟基磷灰石生物复合陶瓷。碳纳米管(CNTs)的引入有利于提高HA陶瓷的力学性能;氟离子的引入可以提高其抗腐蚀性能和力学性能。本文采用酸化氧化的方法对多壁碳纳米管(MWNTs)进行改性处理。通过拉曼光谱(Raman)分析得出,改性后的MWNTs依然有比较完整的结构,其R(ID/IG)值升高,代表改性后的MWNTs缺陷增多;通过X射线光电子能谱(XPS)分析发现,改性后的MWNTs含有羟基、羧基和C-O-C三种官能团;通过透射电镜(TEM)照片和分散性测试分析得出,改性后的MWNTs分散性良好。本文采用原位合成法制备了HA、氟代羟基磷灰石(FHA)和不同MWNTs含量的X wt.%MWNTs/FHA(X=0.5、1、2、5)复合粉体,然后采用放电等离子烧结(SPS)制备生物陶瓷。通过Raman分析得出,在SPS之后MWNTs依然存在;通过X射线衍射(XRD)分析发现,生物陶瓷的主相为磷灰石相,但有少量的β-Ca3(PO42生成,同时还发现MWNTs使FHA的晶胞体积变大;在相对密度测试中观察到MWNTs使生物复合陶瓷的相对密度降低;力学性能测试结果表明当MWNTs的含量为1wt.%时硬度达到最大,与HA陶瓷相比提高了28%;当MWNTs的含量在0.5-5 wt.%范围内时断裂韧性的变化较小,与HA陶瓷相比提高了35%。体外生物活性研究结果表明X wt.%MWNTs/FHA生物复合陶瓷具有较好的生物活性。本文采用原位合成法制备了不同氟含量的1wt.%MWNTs/FxHA(x=0、0.4、0.8、1.4、1.8)复合粉体,然后采用SPS制备了生物复合陶瓷。通过Raman分析得出,在SPS之后MWNTs依然存在;XPS分析表明,F-成功取代了OH-;通过对生物复合陶瓷的XRD谱图进行分析,结果显示其主相为磷灰石相;通过晶胞参数计算得出随着F含量的升高,(300)晶面间距逐渐变小,生物复合陶瓷的真密度随着F含量的升高逐渐变大;在相对密度测试中发现当F含量为x=1.4和1.8时生物复合陶瓷的相对密度接近100%;通过溶解性测试发现,F-的引入显著提高了生物复合陶瓷的抗腐蚀性;力学性能测试发现当F含量为x=1.8时硬度达到最大,与HA陶瓷相比提高了40%,当F含量为x=0.4时断裂韧性最大,与HA陶瓷相比提高了70%;体外生物活性研究结果表明当F含量为x=0.8时生物复合陶瓷的生物活性最好。
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