定向多孔HA/BT复合生物陶瓷的制备、调控及性能研究

【摘要】为了使多孔生物材料能够满足不同缺陷部位的临床应用要求,其多孔结构需要具备各向异性的特征,且天然骨具有压电效应的特征已得到广泛认同,因此精细设计并可控制备出具备各向异性特征且具有压电性能的多孔生物陶瓷材料,对拓宽骨组织工程用多孔生物材料在医学临床上的应用具有重要意义。本文采用冰模板法对HA/BaTiO3复合生物陶瓷进行定向多孔结构的制备,重点研究了浆料流变性能及冷冻条件等参数对多孔特性的影响方式和作用机理,实现了对多孔微观结构及其相关性能的调控,赋予了多孔生物陶瓷材料类似天然骨的压电效应。论文的主要研究成果如下：1.探讨了冷冻浇注法制备定向多孔HA陶瓷支架微观结构的调控机理及影响规律。采用近纳米级的陶瓷颗粒不利于获得致密的片层陶瓷孔壁；微米级的颗粒所配浆料分散剂加入量为1wt.%时,有益于获得结构均匀的多孔材料；冷冻浇注过程所采用的浆料已具有足够均匀性和稳定性,无需调节浆料pH值；粘结剂含量在1wt.%时,可获得片层孔结构完整且致密的多孔结构。采用双向制冷方式才能获得长程有序的定向多孔结构；随着冷冻速率的升高,片层状多孔结构的层间距减小,陶瓷层厚度增加。2.研究了不同HA与BT体积比及颗粒尺寸,在固态体积分数及冷冻速率变化下对形貌调控和性能影响的变化趋势。HA10/BT90的多孔压电复合陶瓷由于其压电系数高于天然骨中报道的最高值,且具有最良好的多孔片层孔道平行度,以及最厚和最致密的片层陶瓷孔壁,在压电效应刺激骨自愈,重建和再生方面具有更大优势。采用1HA/0.29BT和0.2HA/1.49BT尺寸搭配所得多孔陶瓷不仅能获得明显的长程有序结构,而且片层陶瓷孔壁的致密度高,无大孔洞和裂纹的出现。随着浆料固态体积分数和冷冻速率的增加,两类颗粒尺寸所得多孔结构的片层间距均减小,孔壁陶瓷层厚度均增加,且孔壁表面都依然保留了树枝状突起和致密光滑的细节。结合了凝胶注模工艺和引入第二相模板纤维,获得了片层孔道和有机模板形成的圆柱形孔道共存的复合多孔结构。3.通过体外细胞培养(MTT法)证实了冰模板法所制备的多孔HA/BT陶瓷材料对L929成纤维细胞无毒性。层状多孔结构有利于成骨细胞MG-63的增殖和分化,且孔隙率为50%时的多孔陶瓷对细胞增殖和分化作用最明显。在单纯极化未施加载荷条件下的多孔HA10/BT90复合压电陶瓷对于促进成骨细胞黏附、增殖与分化作用不明显,今后的工作应集中于静态与加载条件下开展细胞培养对比实验,并进行HA/BT陶瓷的植入实验,进一步评估压电植入体与宿主之间的生长行为。综上所述,采用冰模板法制备的定向多孔HA/BT复合材料,可为骨组织工程用多孔陶瓷支架材料的制备及应用提供新的途径与参考依据,并构建生物医学用支架材料提供了新的实现途径和可靠的技术支持。
【作者】张妍；
【导师】张斗；
【作者基本信息】中南大学，材料科学与工程，2013，博士
【关键词】冷冻浇注法；定向多孔；生物压电；羟基磷灰石/钛酸钡；可控制备；

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