納米碳管-羥基磷灰石生物復(fù)合材料的凝膠注模成型技術(shù)研究.pdf

1、羥基磷灰石(Hydroxyapatite/HA)與人體骨的無機(jī)質(zhì)成分非常相似，是一種典型的生物活性材料。其缺點(diǎn)在于本身的力學(xué)性能較差，強(qiáng)度低，脆性大，這一缺點(diǎn)大大限制了羥基磷灰石陶瓷在人體某些承重部位的應(yīng)用。納米碳管(Carbonnanotube/CNTs)是1991年發(fā)現(xiàn)的一種新型碳結(jié)構(gòu)。具有單層或多層石墨片卷曲而成的無縫納米管狀殼層結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)使它的力學(xué)性能特別優(yōu)異，有很高的強(qiáng)度和韌性。本研究組將納米碳管與羥基磷灰石復(fù)合，制備

2、出一種納米碳管/羥基磷灰石復(fù)合材料。這種復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度超過140MPa，達(dá)到目前硬組織修復(fù)材料的中等水平，而斷裂韌性最佳值達(dá)到了2.4 MPa·m<'1/2>，高于相近工藝制備的其它羥基磷灰石復(fù)合材料的性能。通過微觀組織觀察和分子生物學(xué)分析研究了復(fù)合材料的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn)，CNTs/HA復(fù)合材料具有良好的生物相容性，并具有促進(jìn)組織愈合的功能。 然而，常規(guī)的陶瓷成型方法難以滿足各種人工種植體形狀復(fù)雜的要求。凝膠注模成型是

3、一種制備復(fù)雜形狀，高均勻性陶瓷坯體的實(shí)用技術(shù)。因此，研究納米碳管/羥基磷灰石復(fù)合材料凝膠注模成型工藝，對于這種材料的臨床應(yīng)用有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文首先采用化學(xué)沉淀法制備出所需的HA粉體，然后考察了pH值、分散劑加入量以及固含量對于料漿粘度的影響，制各出了高固含量、低粘度的CNTs/HA懸浮體。研究了凝膠注模成型過程中有機(jī)單體加入量、單體/交聯(lián)劑比值、固含量以及引發(fā)劑和催化劑加入量對于可操作時間、坯體性能、顯微結(jié)構(gòu)的影響，

4、制備出了顯微結(jié)構(gòu)均勻、強(qiáng)度較高的坯體。DTA研究發(fā)現(xiàn)，CNTs從450℃開始將發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，為了防止其氧化，設(shè)計了兩種脫膠工藝：一步法和兩步法。一步法是在空氣氣氛中450℃脫膠，長時間保溫；兩步法方法是先在真空中進(jìn)行脫膠(600℃，1h)，然后在空氣氣氛中熱處理(350℃，4h)；經(jīng)排膠后，對坯體進(jìn)行真空無壓燒結(jié)：升溫速率，5℃/min；保溫時間，4h；燒結(jié)溫度，1100℃，并最終制得CNTs/HA復(fù)合材料燒結(jié)體。 力學(xué)

5、性能研究發(fā)現(xiàn)，兩步法制備的復(fù)合材料力學(xué)性能較高；隨著CNTs含量的增加，材料的抗彎強(qiáng)度不斷增大。XRD研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過熱處理除掉了真空脫膠產(chǎn)生的殘余碳；一步法不能脫膠完全，殘留的有機(jī)物將會在復(fù)合材料燒結(jié)過程中產(chǎn)生殘余的碳；兩步脫膠法以及后續(xù)的燒結(jié)工藝可以制得CNTs/HA復(fù)合材料。SEN觀察發(fā)現(xiàn)，一步法脫膠后燒結(jié)的CNTs/HA復(fù)合材料羥基磷灰石晶粒散碎，大小不均勻，無規(guī)則形狀，晶粒間孔隙很大；斷口表面和晶界處附著著一層膜狀物質(zhì)，分析認(rèn)為

6、，這是未發(fā)生燒結(jié)反應(yīng)的納米HA晶粒；從圖中僅發(fā)現(xiàn)少量的納米碳管，說明這種制各工藝難以有效的保護(hù)納米碳管；發(fā)現(xiàn)納米碳管由于表面吸附了HA而明顯增粗；燒結(jié)程度太低，納米碳管的保存量少是材料力學(xué)性能低的主要原因。對兩步法脫膠后燒結(jié)的CNTs/HA復(fù)合材料斷口形貌觀察發(fā)現(xiàn)，大量的納米碳管得到保存，分散較為均勻，與基體結(jié)合緊密，發(fā)生了表面吸附粗化現(xiàn)象，表明CNTs是以增粗后HA/CNTs復(fù)合體的形式存在于復(fù)合材料基體中。復(fù)合材料的增韌機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)