高性能生物活性玻璃陶瓷材料合成方法的新发展

论文摘要

生物活性玻璃陶瓷和其它的生物材料相比所具有的优点在于机械性能和生物活性的兼顾。45S5生物玻璃用于本文的研究对象就在于它极高的生物活性。本论文的工作就是利用溶胶-凝胶法制备作为高性能的骨骼替代物的生物活性玻璃陶瓷,并对其性能进行测试。生物玻璃陶瓷中的空洞是可以通过改变成分组成和制备过程中的参数加以控制的。在用溶胶-凝胶法制备生物玻璃陶瓷的过程中,改变过程中的不同参数得到了不同的结构。这些参数包括:不同硅的先驱体,不同的pH值,和不同的干燥和烧结条件。在控制凝胶性质的过程中两种干燥方法加以比较。在本文中,为了得到具有更高性能的生物材料,对热处理条件也做了研究。这其中包括不同的加热温度,不同的升温速率和不同的保温时间。现代的测试方法:XRD, SEM, TG/DTA,万能试验机都用来评定所制备的生物材料的性能。乙醇氛围优于水蒸气的地方是在干燥的过程中胶体中不会产生裂纹。本实验改进的干燥方法（溶胶先在60℃的乙醇氛围下干燥3天,后又在120℃的乙醇氛围下干燥2天）能够极大程度的加快干燥过程,可以有效的缩短试验周期近一个月。SiO2–CaO–Na2O–P2O5系统有形成主要相Na2Ca2Si3O9的趋势,它和无定形的45S5生物玻璃有着相同的生物活性。这个结果证实了所制备的生物材料具有很高的生物活性。SEM显微结构表明,本论文所新合成的生物玻璃陶瓷具有均一的内连接的孔洞结构。孔的尺寸可以将近1mm,在孔壁上还有许多小的孔洞通道。孔的尺寸满足了组织生长所要求的孔尺寸的需要,其中孔壁上的小孔洞同样满足材料和周围的组织和体液的交换需要。此生物材料同样具有优异的机械性能。当组成成分中硼酸的含量增加时,即pH降低时,孔的尺寸减少,力学性能也有所下降。试样中孔的尺寸随着烧结温度和升温速率的增加而下降,随着保温时间的延长而增加。试样的压缩强度则随着烧结温度的增加和保温时间的延长而增加,随着升温速率的增加而下降。在烧结的过程中,本论文所新合成的生物玻璃陶瓷具有很好的塑性能力。总之,这种新合成的生物玻璃陶瓷由于其优异的性能是一种理想的骨骼替换的生物材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• NOMENCLATURE
• 1. Introduction
• 1.1 Background of biomaterials
• 1.2 Bioactive materials
• 1.2.1 Bioactive glass
• 1.2.2 Bioactive glass-ceramic
• 1.2.3 Applications for bioactive glass and glass-ceramic
• 1.3 Criteria for bone regeneration scaffold
• 1.4 Sol-gel method for bioactive materials
• 1.4.1 The advantages of sol-gel method
• 1.4.2 The process of sol-gel method
• 1.5 Boron enhanced bioactive glass-ceramic
• 1.6 Effect of thermal treatment on the microstructure and mechanical properties of gel-derived bioglass
• 1.7 Project work
• 1.7.1 Preparation of bioactive glass-ceramic
• 1.7.2 Characterization of properties
• 2. Experimental methods
• 2.1 Preparation of the bioactive glass-ceramic
• 2.1.1 Preparation of Sample 1
• 2.1.2 Preparation of Sample 2
• 2.1.3 Preparation of Sample 3
• 2.2 Drying process
• 2.3 Heat treatment
• 2.4 Characterization
• 2.4.1 Thermal analysis
• 2.4.2 XRD analysis
• 2.4.3 SEM and EDX analysis
• 2.4.4 Mechanical testing
• 3. The results and analysis
• 3.1 The improved drying methods on gel property
• 3.2 Thermal analysis
• 3.3 XRD results and analysis
• 2'>3.3.1 Different precursors for SiO₂
• 3.3.2 Different pH of the solution
• 3.3.3 Different conditions of heating treatment
• 3.4 SEM / EDX investigation
• 2'>3.4.1 Different precursors for SiO₂
• 3.4.2 Different pH of the solution
• 3.4.3 Different conditions of heat treatment
• 3.5 Mechanical test results and analysis
• 2'>3.5.1 Different precursors for SiO₂
• 3.5.2 Different pH of the solution
• 3.5.3 Different conditions of heat treatment
• 3.6 The possibility of shaping the materials
• 4. conclusion
• 4.1 Summary
• 4.2 Future work
• REFERENCES
• ACKNOWLEDGEMENTS