石墨烯增韧羟基磷灰石复合材料力学与生物学性能研究

【摘要】羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）的化学成分、晶体结构与人体骨组织中的磷酸钙盐相似，具有优异的生物相容性和生物活性，是一种极具应用潜力的生物活性陶瓷。然而，HA的本征脆性及其本征脆性所导致的较差的摩擦磨损性能，很大程度上影响了其作为硬组织假体替换材料植入人体后服役的可靠性。所以，采取第二相材料对单相HA进行增韧是改善其断裂韧性、确保其可靠服役的关键。本课题基于石墨烯纳米片（graphenenanosheets，GNSs）在力学性能、生物相容性上的优异性能，利用GNSs增韧HA，制备GNS/HA复合材料。采用超声结合表面活性剂分散的方法获取GNS-HA混合粉末（材料成分为HA，0.5wt.%GNS/HA和1.0wt.%GNS/HA），利用放电等离子烧结（sparkplasmasintering，SPS）技术制备HA，GNS/HA复合材料，并对复合材料进行了物相表征，显微组织/形貌观察，力学性能分析以及相关生物学性能评价。采用x-衍射和拉曼光谱研究了SPS烧结复合材料的物相组成，结果表明HA在高温烧结中没有发生严重分解，且GNSs的特征结构在烧结后得以大量保留。显微组织/形貌观察发现GNSs在复合材料中分布较为均匀。采用仪器化微/纳米压入仪和显微硬度计研究了HA及GNS/HA复合材料的力学性能（如显微硬度、弹性模量和断裂韧性）。结果表明，1.0wt.%GNS/HA的弹性模量和显微硬度分别比HA的弹性模量和显微硬度增加了~40%和~30%，且1.0wt.%GNS/HA的断裂韧性增加了~80%。分析表明，GNS拔出、GNS在晶粒之间的桥接、裂纹桥接、裂纹偏转等是GNS/HA复合材料中的主要增韧机制。研究中修改了2D应力传递模型，考虑了石墨烯层数对GNS-HA界面应力的影响。同时，修改了拔出模型，获得了GNS拔出的临界应力释放率，计算表明GNS拔出对GNS/HA复合材料断裂韧性的改善具有较大的贡献。通过研究成骨细胞贴附、增殖和成骨矿化评价GNS/HA复合材料生物学性能。成骨细胞实验表明，GNS/HA复合材料表面贴附的成骨细胞数量增加，且分布更均匀，成骨细胞在GNS/HA复合材料表面的增殖能力也得到提高。研究认为，GNSs对GNS/HA复合材料微观形貌的改变是影响成骨细胞贴附、增殖行为的主要原因。模拟体液浸泡实验结果表明，GNS/HA复合材料较HA具有更加优异的成骨矿化性能。研究认为，GNSs的添加改变了材料中钙离子的溶解速率，暴露在模拟体液中的GNSs为磷酸钙盐的沉积提供了更多的骨质形核质点，从而改善了HA的成骨矿化能力。上述研究结果表明，GNS/HA复合材料具有良好的生物力学性能及优异的生物活性，是一种具有发展潜力的硬组织假体替换材料。
【作者】张律；
【导师】陈瑶；
【作者基本信息】苏州大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】羟基磷灰石；石墨烯；增韧；力学性能；生物学性能；

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