石墨烯增韌羥基磷灰石復(fù)合材料力學(xué)與生物學(xué)性能研究.pdf

1、羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA)的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)與人體骨組織中的磷酸鈣鹽相似,具有優(yōu)異的生物相容性和生物活性,是一種極具應(yīng)用潛力的生物活性陶瓷。然而,HA的本征脆性及其本征脆性所導(dǎo)致的較差的摩擦磨損性能,很大程度上影響了其作為硬組織假體替換材料植入人體后服役的可靠性。所以,采取第二相材料對(duì)單相HA進(jìn)行增韌是改善其斷裂韌性、確保其可靠服役的關(guān)鍵。本課題基于石墨烯納米片(graphene nanosheets,GNSs)

2、在力學(xué)性能、生物相容性上的優(yōu)異性能,利用GNSs增韌HA,制備GNS/HA復(fù)合材料。采用超聲結(jié)合表面活性劑分散的方法獲取GNS-HA混合粉末(材料成分為HA,0.5 wt.％GNS/HA和1.0 wt.％GNS/HA),利用放電等離子燒結(jié)(spark plasma sintering,SPS)技術(shù)制備HA, GNS/HA復(fù)合材料,并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了物相表征,顯微組織/形貌觀(guān)察,力學(xué)性能分析以及相關(guān)生物學(xué)性能評(píng)價(jià)。
　　本研究主要內(nèi)

3、容包括：⑴采用x-衍射和拉曼光譜研究了SPS燒結(jié)復(fù)合材料的物相組成,結(jié)果表明HA在高溫?zé)Y(jié)中沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重分解,且GNSs的特征結(jié)構(gòu)在燒結(jié)后得以大量保留。顯微組織/形貌觀(guān)察發(fā)現(xiàn)GNSs在復(fù)合材料中分布較為均勻。⑵采用儀器化微/納米壓入儀和顯微硬度計(jì)研究了HA及GNS/HA復(fù)合材料的力學(xué)性能(如顯微硬度、彈性模量和斷裂韌性)。結(jié)果表明,1.0 wt.％GNS/HA的彈性模量和顯微硬度分別比HA的彈性模量和顯微硬度增加了~40％和~30％,且

4、1.0 wt.％GNS/HA的斷裂韌性增加了~80％。分析表明,GNS拔出、GNS在晶粒之間的橋接、裂紋橋接、裂紋偏轉(zhuǎn)等是GNS/HA復(fù)合材料中的主要增韌機(jī)制。研究中修改了2D應(yīng)力傳遞模型,考慮了石墨烯層數(shù)對(duì)GNS-HA界面應(yīng)力的影響。同時(shí),修改了拔出模型,獲得了GNS拔出的臨界應(yīng)力釋放率,計(jì)算表明GNS拔出對(duì)GNS/HA復(fù)合材料斷裂韌性的改善具有較大的貢獻(xiàn)。⑶通過(guò)研究成骨細(xì)胞貼附、增殖和成骨礦化評(píng)價(jià) GNS/HA復(fù)合材料生物學(xué)性能。成

5、骨細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明,GNS/HA復(fù)合材料表面貼附的成骨細(xì)胞數(shù)量增加,且分布更均勻,成骨細(xì)胞在GNS/HA復(fù)合材料表面的增殖能力也得到提高。研究認(rèn)為,GNSs對(duì)GNS/HA復(fù)合材料微觀(guān)形貌的改變是影響成骨細(xì)胞貼附、增殖行為的主要原因。模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,GNS/HA復(fù)合材料較HA具有更加優(yōu)異的成骨礦化性能。研究認(rèn)為,GNSs的添加改變了材料中鈣離子的溶解速率,暴露在模擬體液中的GNSs為磷酸鈣鹽的沉積提供了更多的骨質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn),從而改善了