納米羥基磷灰石的聲化學(xué)合成及其生物復(fù)合材料的研究.pdf

1、羥基磷灰石是非常重要的生物陶瓷材料，其成分和人體骨骼十分近似，因其具有良好的生物相容性和與生物體組織良好的物理化學(xué)相容性，在生物醫(yī)藥和骨組織替代材料領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。納米羥基磷灰石粉體易于操作、注漿方便，且能在較低的溫度下燒結(jié)，因此，采用納米級羥基磷灰石粉體可以制備出高性能用于替代人工骨組織的羥基磷灰石微晶陶瓷材料和復(fù)合材料。本論文采用一種新穎的聲化學(xué)合成技術(shù)，制備了納米級羥基磷灰石粉體，研究了其合成動力學(xué)機(jī)理，并將合成的納米羥基

2、磷灰石在制備生物涂層、C(f)/HAp-PMMA和C(f)/HAp-CS生物復(fù)合材料方面進(jìn)行了應(yīng)用研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下。 以硝酸鈣、磷酸二氫氨為起始原料，以尿素為pH調(diào)節(jié)劑，采用聲化學(xué)合成方法，可以在前驅(qū)液[Ca2+]濃度為0.01-0.1mol/L、超聲功率0-300W、Ca/P摩爾比為1.2-2.5以及室溫至100℃的范圍內(nèi)合成出納米羥基磷灰石微晶。采用XRD、TEM等分析手段對合成的HAp進(jìn)行了表征。合成的納米羥基

3、磷灰石的微晶顆粒大小均勻，平均粒徑在8.9-40nm之間，顆粒無團(tuán)聚現(xiàn)象。在較低的超聲波功率作用下容易合成針狀的納米羥基磷灰石微晶，當(dāng)超聲波功率增大到300W時(shí)，可以獲得球形的納米羥基磷灰石微晶。通過對聲化學(xué)合成納米羥基磷灰石的動力學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究表明，隨反應(yīng)溫度的提高和反應(yīng)時(shí)間的延長，合成產(chǎn)物中納米羥基磷灰石的含量增加，納米羥基磷灰石的合成速率隨溫度和超聲波功率的增加而增加。發(fā)現(xiàn)在羥基磷灰石的合成速率與合成溫度之間存在Arrhenius

4、關(guān)系。超聲波對反應(yīng)有著至關(guān)重要的作用，隨超聲波功率的增加，聲化學(xué)合成納米羥基磷灰石的合成活化能降低，當(dāng)超聲波功率由100W增加到300W時(shí)，其合成活化能由63.2kJ/mol降低到48.1kJ/mol。 應(yīng)用改進(jìn)的LevenbergMarquardt算法，建立了能對聲化學(xué)合成納米羥基磷灰石反應(yīng)過程進(jìn)行模擬的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，所建立的模型學(xué)習(xí)能力和泛化能力強(qiáng)，可以有效地預(yù)測和分析制備工藝參數(shù)對HAp含量的影響。分析結(jié)果表明，在聲化

5、學(xué)合成納米羥基磷灰石的反應(yīng)過程中，反應(yīng)溫度對合成納米羥基磷灰石的含量影響最大，反應(yīng)時(shí)間次之，其后是超聲功率。 采用聲化學(xué)方法合成的球形納米HAp粒子是一種非常好的等離子噴涂原料，制備的球形納米HAp粒子可以被用來在鈦合金基體表面制備致密的HAp涂層。熱處理對改進(jìn)涂層中HAp晶相組成和提高涂層的生物活性和穩(wěn)定性是非常有益的。所制備的HAp涂層和基體間有較高的結(jié)合強(qiáng)度，達(dá)到217kPa。涂層的失效發(fā)生在樹脂與涂層界面處。 以

6、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯為原料，過氧化苯甲酰(BPO)為引發(fā)劑，纖維為增強(qiáng)相，通過懸浮聚合的方法，可以制備出C(f)/HAp-PMMA復(fù)合材料。研究了工藝因素對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％時(shí)，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別達(dá)到最大值110.3MPa和239.3MPa。經(jīng)過5000次的疲勞循環(huán)后，C(f)/PMMA-PMA復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度沒有變化，模擬體液實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合材料具有很好的生物活性。 采

7、用原位合成與溶液共混相結(jié)合的方法能制備出C(f)/HAp-PMMA復(fù)合材料，而且經(jīng)過表面改性后的短切碳纖維和HAp與基體PMMA的結(jié)合良好。當(dāng)短切碳纖維含量在4％左右時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度和彈性模量等性能均得到明顯改善；在纖維含量一定時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度隨著纖維長度的增加而提高；但短切碳纖維的加入，將導(dǎo)致復(fù)合材料的斷裂伸長率降低。 采用原位雜化和共混的方法，可以制備出C(f)HAp-CS復(fù)合材料。原位雜化法所制備的復(fù)合材料明顯