（材料学专业论文）等离子喷涂法制备碳碳复合材料表面HA涂层技术的应用研究.pdf

摘要 摘要 碳碳复合材料在继承了碳材料固有的优异生物相容性的同时，还具有与人 体骨十分接近的弹性模量、稳定的化学性质和高强质轻的机械性能。但是，碳， 碳复合材料单独作为硬组织修复和重建材料仍存在不能与骨组织形成化学结合、 长期植入生物体内易产生“黑肤效应”和与人体骨组织的颜色差别较大等不足。 为了避免因碳碳复合材料表面碳颗粒剥落造成性能下降，同时提高其生物活性， 人们采用多种技术手段在其表面制备生物医用涂层。羟基磷灰石因其具有优异的 骨组织相容性和生物活性而被广泛用于制备人工骨材料的表面生物活性涂层。本 文采用等离子体喷涂技术在碳，碳复合材料表面成功制备出羟基磷灰石涂层，并 通过模拟体液浸泡、细胞毒性评价和实验动物骨内植入实验对羟基磷灰石涂层+ 碳，碳复合材料的生物学性能进行了综合研究。同时，利用扫描电子显微镜 ( s e m ) 、光学显微镜、x 射线衍射仪( x r d ) 和电子拉伸实验机等研究了碳碳复 合材料及其表面等离子体喷涂羟基磷灰石涂层的制备工艺、表面形貌、相组成、 涂层结合强度、模拟体液浸泡过程中涂层结构与组成的变化和种植体材料的骨组 织相容性。 实验结果表明，采用的聚丙烯腈( p a n ) 基碳，碳复合材料所含杂质经过检 测均符合植入材料的要求；石墨化处理可明显降低碳碳复合材料中的主要杂质 元素含量；所使用的碳，碳复合材料具有与正常人体皮质骨十分接近的表面显微 硬度。对碳碳复合材料进行x 射线衍射实验的结果表明，未经热处理的碳碳复 合材料的石墨化程度约为2 0 ；而采用2 4 0 0 ( 2 x 2 h 石墨化处理的碳碳复合材料 的石墨化程度约为6 0 。 通过采用不同喷砂预处理工艺的对比观察发现，碳碳复合材料的表面预处 理工艺应采用5 1 1 p m 粒度的s i c 砂、在0 2 m p a 载气压力条件下进行，这样可 以在不破坏碳碳复合材料表面结构完整性的前提下，获得具有较高粗糙度的表 面形貌。在此条件下制备的等离子体喷涂羟基磷灰石涂层与基体的结合强度为 4 9 3 m p a 。 采用等离子体喷涂法在碳碳复合材料表面制备羟基磷灰石涂层时，用 山东大学硕士学位论文 2 0 0 m m s 的喷枪移动速度制各的羟基磷灰石涂层，平均厚度约7 6pm 。x 射线 衍射分析表明，制备的羟基磷灰石涂层的组成相按照含量高低依次是：h a 、 a - t c p 和j 3 - t c p ；涂层的结晶程度不高。熔融的羟基磷灰石颗粒在基体表面呈饼 状、平板状或不规则的球状形态。由于两种材料热膨胀系数差异较大，羟基磷灰 石涂层中有大量微裂纹存在。高倍扫描电镜的形貌观察发现，羟基磷灰石颗粒是 由大量纳米尺度的微小晶粒构成的。 碳，碳复合材料在模拟体液中浸泡时，等离子体喷涂羟基磷灰石涂层的表面 发生了h a 的溶解和新生相非均匀形核、长大。对不同温度热处理后的试样进行 x 射线衍射分析发现，采用6 0 0 x1 0 r a i n 的热处理作为再结晶处理工艺较为适 宜。体外细胞毒性检测结果表明：碳碳复合材料在进行等离子体喷涂羟基磷灰 石涂层前后，其细胞毒性均为l 级，符合国家对三类医疗器械的细胞毒性的规定 要求。经新西兰白兔骨组织植入9 0 天的组织学观察结果表明，碳碳复合材料及 其表面羟基磷灰石涂层对动物骨组织无毒负作用，且不会引发炎性反应。该材料 能与肌肉组织形成十分紧密的结合。并且验证了等离子体喷涂h a 涂层具有骨传 导作用。基于上述实验结果，本文设计并加工了c c + h a 腰椎后路融合器，为进 一步开展相关的大型动物实验奠定了重要的基础条件。 关键词：碳碳复合材料，羟基磷灰石涂层，等离子体喷涂，生物学性能， 结构表征 u a b s t r a c t a b s t r a c t c a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e sa r ec h a r a c t e r i z e db ye x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y , v e r y s i m i l a re l a s t i cm o d u l u st oh u m a nb o n ea n df i n ec h e m i c a ls t a b i l i t y a l s o ，t h e yp o s s e s s f i n em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h a ta r es u i t a b l ef o ra r t i f i c i a l b o n e h o w e v e r , c a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e s 鼬h a r dt i s s u er e s t o r a t i o na n dr e c o n s t r u c t i o nm a t e r i a l sh a v e af e wd r a w b a c k s f i r s t l y , c a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e sc a n n o tf o r mc h e m i c a lb o n dw i t h h u m a nb o n et i s s u ed u et ot h e i rb i o i n c r tp r o p e r t y s e c o n d l y , t h es u r f a c eo f u n p r o c e s s e d c a r b o n c a r b o ni sh y d r o p h o b i c ，s oi f i ti sp u ti n t ot h eh u m a nb o d yf o ral o n gt i m e ，t h e n o m a d i cc a r b o nw i l lf l o ww i t ht h eb o d yf l u i da n dd e p o s i to nt h es k i n , c a u s i n g t h e b l a c ks k i ne f f e c t t h i r d l y , t h ec o l o rd i f f e r e n c eb e w v e f f f lc a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e s a n dh u m a nb o n ei so b v i o u s i no r d e rt oa v o i dt h ed e c l i n eo f t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s d u et ot h es h e d d i n go f t h es u r f a c ec a r b o np a r t i c l e sa n de n h a n c et h eb i o a c t i v i t y , p e o p l e h a v ep r e p a r e ds e v e r a lb i o m e d i c a lc o a t i n g so nc a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e si nd i f f e r e n t w a y s a m o n gt h e s ec o a t i n g s h y d r o x y a p a t i t ec o a t i n g sh a v eb e e nb r o a d l yu s e d 船 b i o a c t i v eo n e so na r t i f i c i a lb o n em a t e r i a l sf o rt h e i re x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i l ya n d b i o a c t i v i t y i nt h ep r e s e n tw o r k , h y d r o x y a p a t i t ec o a t i n g s w r i t e p r e p a r e d o n c a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e sb yp l a s m as p r a y i n gt e c h n o l o g y a n dt h eb i o l o g i c a l b e h a v i o r so ft h eh y d r o x y a p a t i t ec o a t e do nc a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e sw e l es t u d i e di n v i t r oa n di nv i v o b ym e a n so fs e m ，o p t i c a lm i c r o s c o p e ，x r da n de l e c 仃o n i ct e n s i o n m a c h i n e ，t h em a t e r i a lp r e p a r a t i o n , s u r f a c em i c r o s t r u c t u r e ，p h a s e 缸a n s f o r m a t i o na n d c o a t i n gb o n ds t r e n g t hw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ei m p u r i t yc o n t e n t so fp a nb a s e d c a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e sc o u l dm e e tt h es t a n d a r do f a r t i f i c i a lb o n em a t e r i a l s w h a t s m o r e ，t h eg r a p h i t a t i o nc o u l dr e d u c et h em a i ni m p u r i t i e si nc a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e s s i g n i f i c a n t l ya n dt h i sm a t e r i a lh a dt h es i m i l a rm i c r o h a r d u e s st ot h eh u m a nb o n e t h e x r d sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec r y s t a l l i z a t i o no ft h ec a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e s b e f o r eg r a p h i t a i o nw a sa b o u t2 0 ，a n da f t e r2 4 0 0 2 ho fg r a p h i t a i o nt h e c r y s t a l l i z a t i o ni sa b o v e6 0 1 山东大学硕士学位论文 1 1 艟s u r f a c em i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n so ft h es a n db l a s t e dc a r b o n c 盯b o n c o m p o s i t e sr e v e a l e dt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no f5 l l p ms i cs a n d sa n d0 2 a b l a s t i n ga i rp r e s s u r e ，a ni n t e g r a t e dc a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e s $ u r f a c es t r u c t u r ew i t h e n o u g h c o a r s e n e s sc o u l db e g o t t h es h e a r s t r e n g t hb e “嘞t h ea s s p r a y e d h y d r x y a p a t i t ec o a t i n ga n dc a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e sw a s 4 9 3m p & i nt h e p r o c e s so ft h ep l a s m as p r a y i n g ，t h ea v e r a g et h i c k n e s s o ft h e h y d r o x y a p a t i t ec o a t i n gi s7 6 m u n d e rt h ec o n d i t i o no f t h em o v i n gs p o r e d2 0 0 m m so f as p r a y e r x r dr e s u l t sr e v e a l e dt h a th y d r o x y a p a t i t ew a st h em a i np h a s ei nt h ec o a t i n g ， f o l l o w e db ya - t c pa n di b - t c e1 1 圮c r y s t a l l i n a t i o no ft h ec o m i n gi sl o w e r , a n dt h e s h a p eo fd e f o r m e dh y d r x y s p a t i t ep a r t i c l e sc h a n g e df r o ms 妞s t of l a tp l a t e so nt h e s u b s t r a t e sd u r i n gt h es p r a y i n gp r o c e s s t h e r ew e r em a n ym i c r o - c r a c k si nt h ec o a t i n g s b e c a u s eo ft h et h e r m a le x p a n dc o e f f i c i e n td i f f e r e n c eb e t w e e nh y d r o x y a p a t i t ea n d c a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e s t h es e mp i c t u r e sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ea s - s p r a y e d c o a t i n gw a sc o n s t i t u t e db yal o to f n a n o - s i z e dc y s t a lp a r t i c l e s w h e na s - s p r a y e dh y d r o x y a p a t i t ec o a t i n g sw c r ei m m e r g e di ns i m u l a t e db o d y f l u i d , i tb e g a nt od i s s o l u t ea n dt h em m l e a r a t i o na sw e l la st h eg r o w t ho ft h en e w p h a s e so c c u r r e d b ym e a n so f x r d ，t h ea s - h e a tt r e a t e dh y d r o x y a p a t i t ec o a t i n g sw e r e a n a l y z e d i tw a sf o u n dt h a t6 0 0 l o m i no fh e a tt r e a t i n gp r o c e s sw a st h ep r o p e r r e c r y s t a l l i z a t i o no n ea n dt h ec y t o x i c i t i e so fb o 也h y d r o x y a p a t i t ec o a t e dc a r b o n c a r b o n c o m p o s i t e sa n dt h eo n e w i t h o u tc o a t i n gw c r ee v a l u a t e da sag r a d eo f n u m b e ro n e i nt h e9 0d a y sa f t e rt h ei m p l a n t a t i o n , i tw a sf o u n dt h a ts u c hm a t e r i a l sw e r e f a v o u r a b l ef o rh e a l t ha n dn oc y t o t o x i ce f f e c t sw e r ed i s c o v e r e d t h ch i s t o l o g i c a l o b s e r v a t i o no f o s t e o g e n i cr e s p o n s eo f h ac o a t e do nc cs h o w e dt h a tt h eo s t e o p l a q u c h a ds c a n s o r i a l l yg r o w na l o n gt h es u r f a c eo ft h eh ac o a t i n g sa n dt h em u s c l et i s s u e c o u l db o n dw i t ht h em a t e r i a lt i g h d y b a s e do nt h e s es t u d i e s t h ec c + h al u m b a r s p i n a lf u s i o nc a g e sh a v eb e e nd e s i g n e da n dp r o d u c e df o r 血el a r g e ra n i m a lt e s t i n gi n t h en e a rf u t u r e k e yw o r d s ：c a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e s ；h y d r o x y a p a t i t ec o a t i n g ；p l a s m as p r a y i n g ； b i o c o m p a t i b i l i y , m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i z a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：莹皇 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：莹星导师签名： 日期：珥：! ：汐 绪论 1 1 选题的意义 第1 章绪论 生物医用材料是保障人类健康的必需品，对当代医疗技术和保健系统 的革新和发展具有引导作用。同时，生物医用材料及其制品产业作为整个 医疗器械产业的基础正在成长为世界经济的一个支柱产业。2 0 0 0 年全球医 疗保健费用已超过2 0 0 0 0 亿美元，其中用于器官及组织修复或替换的约占 一半。2 0 0 2 年全球医疗器械市场已达1 8 3 3 亿美元。其中生物相容性材料 及其终端产品占2 7 。随着人口老龄化，中、青年创伤增加和新技术注入， 本世纪前2 0 年可保持7 8 的年增长率。生物医用材料也是高科技材 料市场中技术附加值最高的材料，平均每千克售价高达1 2 0 0 1 5 0 0 0 0 美 元，远高于宇航材料的l o o 1 2 0 0 0 美元。其中生物相容性材料和制品市 场从2 0 0 0 年的2 3 0 亿美元，已增长至2 0 0 2 年的5 0 0 亿美元，远高于医疗 器械市场的增长率，具有十分重要的经济意义生物医用材料的应用挽救 了千万计危重病人的生命，提高了生命质量，降低了残疾人的数量。2 0 0 3 年全球人工髋关节和膝关节的年植入量已分别超过1 0 0 万套，仅1 9 9 0 2 0 0 1 年1 2 年间，美国植入人工髋关节和膝关节的患者即达4 4 0 万人，全 球上千万的人依靠植入人工关节恢复了行动功能【1 1 。 我国医疗器械市场近1 0 年来以高达2 0 2 7 的年增长率持续增 长但截至到2 0 0 4 年，国内医疗器械市场的2 5 为进口品所占有。据国 家食品药品监督管理局信息，迄至2 0 0 3 年底我国共有医疗器械生产企业 9 0 0 9 家，其中三类医疗器械生产企业仅占1 7 ，国产三类医疗器械注册 证仅占医疗器械注册证的1 2 6 。生物相容性和制品属第三类医疗器械。 与国际市场生物相容性材料占医疗器械市场份额2 7 3 相比，我国医疗器 械产业技术结构不合理，其中医用生物材料产业特别薄弱。我国生物医用 材料多为一次性用品和骨钉、骨板等低档产品，且质量不稳定，在与进口 产品的竞争中处于明显劣势，远不能满足国内临床的巨大需求【2 】。 当代医学正在向重建和再生被损坏的人体组织和器官，恢复和增进其 山东大学硕士学位论文 功能方商发展。理想前生物医用材料不仅具有良好的生物相客性，还应能 替代被损坏组织的功能。因此，应用生物学原理，赋予材料生物结构和生 物功艟，充分调动机体自我康复和完善能力，重建有生命活力的组织和器 官，已成为当代生物医用材料发展的方向和前沿。由于材料科学与技术的 发展，以及细胞生物学和分子生物学的进展深化了材料和植入体与机体间 相互作用的认识，加之医学进展和霈求的驱动，当代生物医用材料的发展 已进入个崭新的阶段：与生物技术结合，赋予材料生物结构和功能。从 材料和产品角度，传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材 料已不能满足临床应用要求。表面改性生物医用材料成为新一代生物医用 材料的研究开发的一个主要热点表面改性技术的发展，可克服传统材料 异体反应等问题。例如，钙磷薄涂层的矫形外科植入器械可阻碍植入人体 表面纤维包囊形成删、具有多孔表蘑结构的植入体贝j j 可促进血管化形成 【4 5 1 。 人工劈，关节骨柄、人工齿根等硬组织修复与重建材料是生物医用材 料中发展最早、最成熟的领域【6 1 对于这些体内植入材料，赋予其良好的 早期愈合效果和长期稳定性，已成为许多研究者的努力方向。碳元素是构 成生物机体、参与生命活动的基本元素。在人体软、硬组织中。无毒性、 不降解、无排异反应、具有良好的亲和性、并可在体内长期保持稳定。因 此，碳材料在临床应用中被认为是典型的生物惰性材料。碳碳复合材料 ( c a r b o n c a r b o nc o m p o s i t e s ，简称c c ) 是由碳纤维增强石墨化的树脂碳 以及化学气相渗透沉积( c v l ) 碳所形成的复合材料 。在继承了碳材料 固有的优良生物相容性的同时，c c 还具有与人体骨十分接近的弹性模量， 稳定的化学性质和高强质轻的机械性能i 引。但是，c c 作为硬组织修复和 重建材料仍存在一些不足之处首先，由于其具有生物惰性的特点，c c 几乎不能与骨组织形成化学结合【9 l 。其次，未经处理的c c 表面是疏水性 的，当其长期植入生物体内时，从材料表面游离出来的碳颗粒会随体液流 动，最终沉积于体表，产生“黑肤效应”【1 0 1 ，第三，c c 为黑色，与人体 骨组织的灰白色相比，颜色差别较大。有研究表明，c c 表面少量游离的 碳颗粒会被组织中的淋巴细胞或巨噬细胞所吞噬，但对机体功能无害 2 绪论 n a z 。因此，为了避免碳碳复合材料表面的碳颗粒剥落，提高c c 的生 物活性。就很有必要对c c 进行表面生物活化处理。 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 是目前研究最多的生物活性 陶瓷材料之一，在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注。 羟基磷灰石的分子式为c a i o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，是脊椎动物骨和齿的主要无机成 分，与动物体组织的相容性好、无毒副作用、界面活性优于各类医用钦合 金，硅橡胶及植骨用碳素材料【”】。h a 可广泛应用于生物硬组织的修复和 替换，如1 2 1 腔种植、耳小骨替换和脊椎骨替换等 1 4 , 1 5 】。另外，h a 生物陶 瓷可用于制造耳通气引流管、颌面骨、鼻梁和假眼球等。h a 微晶粉在骨 缺损部位填充，抑制癌细胞方面得到越来越广泛的应用【1 6 】。但是，h a 块 体作为一种生物陶瓷材料，断裂韧性和疲劳强度较差。在通常的人体骨组 织承载条件下，致密的h a 块体会在数月内即可发生疲劳断裂【 】。然而， 由于其突出的生物活性，h a 被广泛用作生物涂层材料目前，人们采用 热压烧结法、离予柬注入法、电化学沉积法和等离子体喷涂法等多种方法 在金属或碳材料表面制备出h a 涂层。其中，等离子体喷涂法作为一种通 用型涂层制备方法已广泛应用于h a 生物活性涂层的制备采用该方法在 钛及钛合金表面制各的h a 涂层已应用于i 瞄床，并取得了较好的使用效果 i s l 。但是，目前在c c 表面采用等离子体喷涂法制备h a 涂层的报道尚不 多见 本研究是在c c 基体上采用等离子体喷涂方法制备h a 涂层。对涂层 制备所采用的原始h a 粉末、等离子体喷涂工艺以及仿生活化方法等方面 进行了系统研究。通过新西兰大白兔的股骨植入实验，对c c 及其表面等 离子体喷涂h a 涂层的生物学特征进行了分析和研究。在此基础上，设计 并制备了表面具有h a 涂层的c c 椎间融合器。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 羟基磷灰石粉体的合成 h a 晶体结构如图1 所示【19 1 h a 晶体属于p 6 3 m 空间群，六方晶系， 3 山东大学硕士学位论文 晶格参数为a - - b = o 9 4 2 1 n m 、c ；o 6 8 8 2 n m 。c a 2 + 位于上下两层的六个p 0 4 3 。 四面体中间位置，c a 2 + 配位数为9 o h 则与其上下两层的六个c a 2 + 组成配 位八面体，c a 2 + 与相邻的4 个p 0 4 3 。中的6 个0 原子相连接。这样就在整个 晶体结构中形成了平行于c 轴的较大通道。h a 晶体最外层结构中存在的大 量0 原子均拥有部分未成键的价电子。同时，卧单晶颗粒表面结构复杂， 比表面能高，具有较高的化学活性。 图1 l 羟基磷灰石晶体结构示意图 ( a ) 原子组态( 1 0 0 ) 晶面上的投影；( b ) 原子组态在( 0 0 0 晶面上的投影 f i g 1 - ic r y s t a ls t r u c t u r eo fh y d r o x y a p a f i t e ( a ) t h e 毗o m i cc o n f i g u r a t i o ni nh ap r o j e c t e do nt h e ( i o o ) p l a n e ； ( b ) t h ea t o m i cc o n f i g u r a t i o n si nh ap r o j e c t e do nt h e ( 0 0 1 ) p l a n e 目前羟基磷灰石的制备方法有很多种，但概括起来主要是两大类，即 干法制备和湿法制备。湿法制备主要包括化学沉淀法、水热合成法、溶胶 一凝胶法和模拟体液法等。 千法制备是将固态磷酸钙及其它化合物均匀混合，在有水蒸气存在、 温度高于1 0 0 0 的条件下，反应得到羟基磷灰石粉体的方法。干法制取的 羟基磷灰石粉末，无晶格收缩，结晶性能好，但粉末晶粒粗大，往往有杂 质相存在，在研磨时不仅费时而且易粘污 2 0 , 2 1 】，因此在生物陶瓷领域较少 采用。 水热合成法是在一个密闭的压力容器内，用水溶液作为反应介质，通 过对反应容器加热，使得在通常条件下难溶或不溶的物质溶解并重结晶。 该方法的主要优点在于产物结晶度高，无需二次结晶化处理，从而减少在 再结晶过程中h a 颗粒团聚的机会。但是，该方法也存在工艺过程复杂， 难以得到定量c a p 的h a 粉体，且质量不稳定【2 2 , 2 3 l 。 化学沉淀法是把一定浓度的钙盐和磷盐的水溶液混合搅拌，通过控制 4 绪论 p h 值使之发生化学反应，产生胶体h a 沉淀物，通过煅烧、研磨获得h a 晶体粉末。这种方法的制各过程简单、易行，合成粉末的纯度高、颗粒细， 而且成本较低，是目前普遍采用的一种制备医用h a 粉体的方法。此反应 类型属于复分解反应，化学反应式为： 1 0 c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 + 6 ( n h 4 ) 2 h p 0 4 - 1 8 n i - 1 3 h 2 0 = c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + 2 0 n h 4 n 0 3 + 4 6 h 2 0 ， 。 其中n h 4 n 0 3 为反应副产物。产品经多次洗涤、固液分离和过滤后可 以得到胶体状h a 。该方法存在的问题是：工艺过程复杂，粉体粒度控制 不精确且流动性普遍较差。 溶胶一凝胶法是首先在有机溶剂中溶解醇盐，并通过加入蒸馏水使醇 盐水解、聚合，形成溶胶。然后，随着水的加入，溶胶转变为凝胶，凝胶 通过真空状态下低温干燥和高温煅烧处理，可得到纳米粉体陶瓷 2 4 , 2 5 。该 方法优点在于纯度高，有利于高纯生物陶瓷的制备，所得的粉体粒度分布 窄。但是，其原料价格高，有机溶剂的毒性及高温热处理时颗粒容易快速 团聚等因素制约了这种方法的应用。 模拟体液法是以模拟体液中的钙盐和磷盐为反应物，在接近人体生理 体温的模拟体液中和近中性反应的条件下，合成类似生理结构的h a 粉体。 目前这种工艺的最大问题是合成时间过长。但此法合成的h a 粉体经乙醇 洗后h a 晶须平均长径比为2 5 ：1 ，晶须分散性较好【2 6 1 。 由以上对比可知，在目前普遍采用的羟基磷灰石粉体制备方法中，化 学沉淀法作为一种典型的湿法制备方法，在保证粉体纯度和c a p 的前提 下，具有显著的产业化应用优势。但从目前的研究来看，采用该法制得的 h a 颗粒，尽管在水中初始粒径能够达到纳米级，但由于聚沉作用【2 7 】使得 最终粉体粒径处于微米级范围( 1 - 1 0 p m ) ，而且粒径分布较宽，因而需要采用 一定分散技术来改善h a 粉体的分散性。m a n i a t i sc 【2 8 1 认为，合成无团聚 粉体的关键是要控制晶体生长过程中的团聚。因此，在湿法制备h a 粉体 的工艺中有效消除团聚的手段应包括：1 ) 在h a 晶粒形核初期，通过电化 学或空间位阻作用增大颗粒间距；2 ) 在保持h a 颗粒初生分散状态的前提 下，通过置换脱水等手段减少体系中水分子含量，减少颗粒之间通过表面 山东大学硕士学位论文 水分子形成氢键的机会。常用防止团聚的方法有：有机溶剂洗涤、共沸蒸 馏脱水、超声作用、选用表面活化剂等。 2 2 生物医甩碳碳复合材料的研究现状 c c 克服了单一碳材料的脆性，生物力学性能优异。同时，它继承了 碳单质材料固有的优异生物相容性c c 表面特有的微孔结构十分有利于 组织的长入。因此，c c 是一种潜在的骨修复和替代生物材料【29 1 。p e s a k o v a y 等 3 0 1 以聚乙烯、钛合金( t i 一6 a 1 4 v ) 作为对照组，使用表面具有热解碳 涂层的c c 进行了与人肺纤维细胞( l e p 细胞) 的联合培养实验和鼠骨组织 植入实验。结果表明，c c 无纽脆毒性。l e p 细胞在c l c 表面沿碳纤维轴 向有序分裂，细胞形态良好。三种材料植入动物骨组织6 0 天后，对组织 切片进行荧光观察发现，聚乙烯表面被炎细胞所覆盖，丽c c 和t i 6 a 1 4 v 的体内生物学响应特征相似。种植体附近组织均未形成炎症，仅有约2 0 0 “m 厚度的纤维包囊结构形成，实验动物术后恢复良好该课题组还对石 墨化前后以及表面具有热解碳涂层的三种不同c c 的密度、开孔率和抗弯 曲强度等机械性能进行了研究，发现经2 2 0 0 石墨化处理的c c 的以上三 项指标与人骨最为接近与人骨进行的对比结果列于表i - i 1 3 1 】。 l e w a n d o w s km 等【3 副分别将h a 、c c 和医用不锈钢植入成年的新西兰白 兔股骨，三个月后进行种植体拔出力测试和c c 种植体的抗压强度检测 结果发现，c c 种植体的拔出力较h a 种植体低，但明显高于医用不锈钢。 植入动物骨组织三个月的c c 的抗压强度较植入前明显下降。组织学观察 发现，与c c 植入体接触的骨组织中有新骨形成和碳颗粒染黑现象，c c 与骨组织的结合为典型的机械嵌合。该实验中使用的c c 种植体为聚丙烯 腈( p a n ) 基碳碳复合材料。l e w a n d o w s k a s z u m i e lm 等【3 3 l 利用电子探针 显微镜和x 射线荧光光谱，对植入鼠股骨的c c 种植体及其周围骨组织 的微观形貌和微量成分进行分析。结果表明，c c 与宿主组织间无离子交 换，但新生骨组织可以在该材料的表面攀附形成，因而证明了c c 的确不 具有生物活性，是一种典型的生物惰性材料。 6 绪论 表1 i c c 与骨的机械性能对比 t a b l e1 - 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c ca n db o n e 材料 密度开孔率抗压强度弯曲强度剪切强度弹性模量 g c m 3 m p am p am p am p a 人体骨 1 8 51 8 1 2 0 1 6 01 0 0 1 5 01 0 3 0 c c 1 4 1 84 1 01 5 0 4 0 0 1 0 0 1 6 05 0 1 2 01 4 2 6 乌克兰国家科学中心哈里科夫技术物理研究院早在2 0 世纪9 0 年代初 期就开展了c c 作为人工骨组织替换材料方面的研究，采用该材料生产的 人工骨段、膝关节头、骨折内固定髓内钉和接骨板等都已成功应用于临床， 并进行了骨组织替换手术近1 0 0 例，取得了良好的使用效果。该院对其生 产的生物医用c c 进行了生物力学、计算机仿真模拟、电化学反应和鼠骨 内种植等方面的研究。结果发现：1 ) 该材料制备的骨折内固定装置具有 相当于人的自体骨4 7 6 0 的断裂韧性，完全可以满足使用要求；2 ) 与 多种医用金属材料的电化学反应研究发现，c c 与钛配合时，不易发生电 化学腐蚀；3 ) 由于c c 与人体弹性模量十分接近，因此采用碳碳复合材 料进行骨折部位的内固定后将允许该部位骨组织进行一定的弹性变形，十 分有利于术后血管组织改建，加快骨组织愈合，从而实现生物活性内固定 的概念( 图1 2 ) ；4 ) c c 植入实验动物骨内的病理切片形态观察发现， 与该材材料接触的骨组织中有新生骨组织形成( 图1 3 a ) ；少量脱落的碳 颗粒进入骨组织和骨膜的胶原组织中，但并未发现炎细胞润湿( 图1 3 b ) 。 材料与骨组织界面处有纤维包囊组织形成，但其厚度与类似实验中传统医 用不锈钢( 3 1 6 l ) 表面的纤维包囊相比要小得多。 图1 4 为乌克兰国家科学中心哈里科夫技术物理研究院生产的c c 人 工骨的照片。图1 5 为骨肿瘤切除后，c c 人工骨替换的临床应用实例。 图1 5 a 为肿瘤病变组织的切除。图卜5 b 为c c 人工骨的修整。图1 5 c 为 c c 人工骨在人体内的种植手术，种植体依靠两端的凸出部分插入患者的 骨髓腔内固定。术后患者恢复良好，如图1 5 d 所示。 山东大学硕士学位论文 0 幽1 - 2c c 髓内钊与骨组织的联合应力分布 f i g ! - 2d i a g r a mo ft o t a lt e n s i o ni nt h em o d e lo fc o m b i n e do s t e o s y n t h e s i s ( 注：图片l 2 来自乌克兰国家科学技术哈里科夫物理研究院) 图l 3 与c c 种植体接触的骨组织的病理学照f ( s o 1 f i g 1 3h i s t o l o g i c a lm i c r o g r a p h ss h o w i n gt h eb o n et i s s u ec o n t a c tw i t ht h ec c ( 注：图片i - 3 来自乌克兰国家科学技术哈里科夫物理研究院) 图1 - 4 乌克兰生产的c c 人工骨 f i g 1 - 4m a n m a d eb o n e so f c cm a d ei nu k r a i n e ( 注：图片i - 4 来自乌克兰国家科学中心哈里科夫技术物理研究) 绪论 图卜5c c 人工骨的临床应用实例 a ) 骨肿瘤摘除；b ) c c 人工骨修整；c ) 植入手术；d ) 患者术后恢复 f i g 1 - 4m a n m a d eb o n e so f c cm a d ei nu k r a i n e a ) t h eo s t e o s aw a sr e m o v e d ；b ) p r e m a c h a n i c a lt r e a t m e n to ft h ei m p l a n t s ； c ) i m p l a n t a t i o n ；d ) r e c u p e r a t i o n ( 注：图片l 4 来自乌克兰国家科学中心哈里科夫技术物理研究院) 1 2 3 碳碳复合材料表面制鲁生物医用涂层 为了提高c c 的表面生物活性，避免脱落的碳颗粒对生物机体可能造 成的组织染黑现象，人们采用多种技术手段在c c 表面制备生物医用涂层 或对该材料进行了表面改性。目前，在c c 表面制备的生物医用涂层主要 包括h a 涂层、碳化硅( s i c ) 涂层和类金刚石( d l c ) 涂层等。制备涂 层的方法主要有等离子体喷涂( p s ) 法、化学气相沉积( c v d ) 法和浸渍 一烧结法等。 9 山东大学硕士学位论文 1 2 3 1 羟基磷灰石涂层 等离子体喷涂法是应用最为广泛的生物医用涂层制备方法之一。通用 型等离子体喷涂设备主要包括电源、高频启动器、送粉器、喷枪和冷却系 统等几个主要部分。其工作原理( 图1 - 6 ) 是：高频启动器在电源的电流 端提供高频电压用于起弧。在喷枪内气体( 主气为a r ，辅气为h e 或h 2 ) 被电弧加热离解形成等离子体，经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷 出。喷涂粉末被送粉气( a r ) 载入等离子焰流，很快呈熔化或半熔化状态， 随后以接近或超过音速的速度从喷嘴喷出，到工件表面冷却，形成喷涂层。 等离子体喷涂层与基体的结合以机械嵌合为主。熔融的粉体颗粒进入工件 表面间隙，迅速冷却下来依靠钉扎作用与基体牢固结合在以前。有研究【1 8 】 表明，在人工股骨头表面采用等离子体喷涂法制备h a 涂层，可加速新生 骨组织的形成，因而，该技术已实现了临床应用。m o r r a n c h o 等人f 3 4 1 曾经 采用同样的技术，在c c 表面制备了h a 涂层，并将该材料植入狗的股骨 内6 个月。结果表明，h a 涂层可以与新生骨组织形成良好的结合。 图1 - 6 等离子体喷涂技术的原理图 f i g 1 - 6t h ep r i n c i p l eo f p l a s m as p r a y i n g h a 在c c 表面的润湿性很差，在未经任何处理的c c 表面直接制得 h a 涂层较为困难。因此，许多学者在对c c 进行适当的表面改性后，采 用体外仿生模拟的方法成功制得了h a 或类似的磷酸钙涂层。李士宏 3 5 】 等首先对c c 进行表面预氧化处理，并采用化学腐蚀的方法在其表面接枝 n h 2 - p e g - n h 2 ，然后将样品置于加速改化液或模拟体液中浸泡。结果发现， 在加速钙化溶液中浸泡3 天后样品表面已有连续的磷酸盐薄层出现。同时， 1 0 绪论 该课题组还发现，将预氧化的c c 直接浸泡于还有胶原的生物活性介质中， 可得到含有胶原和h a 成分的涂层付