论文题目: CF/CNTs增强磷酸钙骨水泥复合材料及其生物相容性评价
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料学
作者: 赵萍
导师: 孙康宁
关键词: 磷酸钙骨水泥,碳纤维,碳纳米管,复合材料,微观结构
文献来源: 山东大学
发表年度: 2005
论文摘要: 磷酸钙骨水泥(CPC)是一种新型的自固型生物活性骨水泥,具有良好的生物相容性、骨传导性、可降解性、可塑性,而且反应产生的热量少,是理想的骨替换及修复材料。但是在多年的研究与应用过程中,该类材料强度低、力学性能差的问题一直未能得到解决,力学性能仅介于松质骨与皮质骨之间,脆性大且承受载荷的能力差,限制了它的广泛应用,只能用于某些非承重骨及硬组织修复等。为了解决这一难题,人们从不同的角度入手进行了研究,其中包括:在固体粉料方面,采用不同的磷酸钙相互搭配、向粉料中加入外加剂等;在调和液方面,选用柠檬酸(钠)、苹果酸、磷酸钠盐等有机及无机调和液;另外,借鉴传统的增强方法,与晶须、有机高分子材料、短纤维等形成复合材料等。这些方法对磷酸钙生物骨水泥的力学性能都起到了不同程度的改善,其中以第三种增强方式获得的效果较好,力学强度得到一定程度的提高,但是整体效果仍不理想。 寻求一种新的复合思路及有效的增强物质,从而进一步提高磷酸钙骨水泥的力学性能,无疑对拓宽其应用领域,增强其与非生物骨水泥的竞争力具有重要的意义。 利用碳纤维强度高、韧性好等优异的力学性能以及良好的生物相容性,从仿生学的角度出发,仿照人体皮质骨的结构,即羟基磷灰石(HA)在纵向排列的胶原纤维束上结晶,以碳长纤维(CF)模拟胶原纤维束,得到纤维增强磷酸钙骨水泥复合材料,以期提高其力学性能。另外,近年发现的碳纳米管(CNTs)由于具备尺度小、强度高、弹性模量大、比表面积大、力学性能优异等特点,被认为是理想的纳米晶须增强增韧材料,甚至可能是纤维类强化相的终极形式,因此,将其作为一种新的增强相应用于骨水泥中,可望获得的复合材料在力学性能上同样得到提高。最后,在两种增强相单独发挥作用的基础上,将二者同时加入骨水泥,制备CF/CNTs协同增强的磷酸钙骨水泥复合材料,以达到力学性能进一步提高的目的。依据这一思路,设计制备了新型CF/CPC、CNTs/CPC、CF/CNTs/CPC复合材料,并对复合材料的制备工艺、微观结构、力学性能及增强作用进行了研究。本论文主要研究内容如下: 首先,对不同的骨水泥材料进行了制备及对比,包括普通α-磷酸三钙型、
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1．1 研究背景
1．2 骨水泥应用现状及存在的问题
1．3 磷酸钙生物骨水泥的研究
1．3．1 磷酸钙生物骨水泥的主要种类
1．3．2 磷酸钙生物骨水泥的基础理论研究
1．3．3 磷酸钙骨水泥生物相容性研究
1．4 磷酸钙骨水泥生物复合材料的研究
1．4．1 固体粉料复合的磷酸钙生物骨水泥
1．4．2 调和液复合的磷酸钙生物骨水泥
1．4．3 纤维复合的磷酸钙生物骨水泥
1．5 碳纤维与碳纳米管作为增强相的研究
1．5．1 碳纤维复合材料的研究
1．5．2 碳纳米管复合材料的研究
1．6 本研究的目的与意义
1．6．1 研究目的
1．6．2 研究意义
参考文献
第2章 实验研究内容与方法
2．1 实验研究的关键技术与工艺路线
2．2 实验研究的主要内容
2．3 实验研究的方法
2．3．1 磷酸钙骨水泥粉体的制备
2．3．2 碳纤维/骨水泥复合材料的制备
2．3．3 碳纳米管/骨水泥复合材料的制备
2．3．4 碳纤维/碳纳米管/骨水泥复合材料的制备
2．3．5 HA在 CNTs上晶体生长模型研究
2．3．6 复合材料的生物相容性研究
2．4 磷酸钙骨水泥及其复合材料的表征方法
2．4．1 凝固时间测定
2．4．2 力学性能测试
2．4．3 相分析(XRD)
2．4．4 红外吸收光谱(IR)
2．4．5 微观结构观察(SEM)
第3章 普通型与新型磷酸钙骨水泥的制备及性能
3．1 引言
3．2 α-磷酸三钙骨水泥粉体的制备及性能研究
3．2．1 α-磷酸三钙粉体制备步骤
3．2．2 α-磷酸三钙粉体制备过程中的影响参数
3．2．3 α-磷酸三钙骨水泥的力学性能
3．2．4 α-磷酸三钙骨水泥的微观结构
3．3 磷酸四钙粉体的制备及性能研究
3．3．1 磷酸四钙粉体制备步骤
3．3．2 磷酸四钙粉体制备过程中的影响因素
3．3．3 磷酸四钙骨水泥的力学性能
3．3．4 磷酸四钙骨水泥的微观结构
3．4 新型α_H-磷酸三钙骨水泥粉体的制备及性能研究
3．4．1 烧结过程中添加剂的选择
3．4．2 α_H-磷酸三钙骨水泥粉体的制备步骤
3．4．3 新型α_H-磷酸三钙骨水泥的力学性能
3．4．4 α_H-TCP与α-TCP之间的差异
3．4．5 添加剂对晶型稳定的作用机理
3．4．6 新型α_H-磷酸三钙骨水泥的微观结构
3．5 β-磷酸三钙骨水泥性能初探
3．6 本章小结
参考文献
第4章 CF/CPC复合材料的制备及性能研究
4．1 引言
4．2 CF/CPC复合材料的制备工艺
4．2．1 CF的表面处理过程
4．2．2 CF表面处理后的红外光谱分析(IR)
4．2．3 CF表面处理后扫描电镜下形貌观察
4．2．4 CF/CPC复合材料的制备
4．3 CF/CPC复合材料的力学性能
4．4 CF/CPC复合材料的微观结构分析
4．4．1 水化后基体的 XRD结果及 SEM照片
4．4．2 CF/CPC复合材料的微观结构
4．5 CF/CPC复合材料的增强作用分析
4．5．1 CF/CPC复合材料中 CF的增强机制
4．5．2 连续碳纤维增强骨水泥材料的强度计算
4．6 本章小结
参考文献
第5章 CNTs/CPC与 CF/CNTs/CPC复合材料的制备及性能研究
5．1 引言
5．2 CNTs/CPC复合材料的制备与性能研究
5．2．1 CNTs在复合材料中的分散
5．2．2 CNTs/CPC复合材料的制备过程
5．2．3 CNTs/CPC复合材料的力学性能
5．2．4 CNTs/CPC复合材料中基体的微观结构
5．2．5 CNTs/CPC复合材料中 CNTs的微观结构
5．3 CF/CNTs/CPC复合材料的制备与性能研究
5．3．1 CF/CNTs/CPC复合材料的制备过程
5．3．2 CF/CNTs/CPC复合材料的力学性能
5．3．3 CF/CNTs/CPC复合材料的微观结构
5．4 骨水泥及其复合材料中的气孔
5．5 本章小结
参考文献
第6章 HA在 CNTs上的吸附生长模型及增强作用研究
6．1 引言
6．2 CNTs的结构及表面性能
6．3 HA的结构及骨水泥水化过程
6．4 HA在 CNTs上的生长模型
6．5 CNTs在复合材料中的增强机制
6．6 CNTs在复合材料中的强度计算
6．7 本章小结
参考文献
第7章 CF/CNTs/CPC复合材料的生物相容性评价
7．1 复合材料的血液相容性研究
7．1．1 试验药品及仪器
7．1．2 试验过程
7．1．3 试验结果与讨论
7．2 复合材料的组织学观察
7．2．1 试验药品及仪器
7．2．2 试验过程
7．2．3 试验结果与讨论
7．3 复合材料的骨传导性观察
7．3．1 试验药品及仪器
7．3．2 试验过程
7．3．3 试验结果与讨论
7．4 本章小结
参考文献
第8章 结论与展望
致谢
博士期间撰写和发表的论文及取得的成果
发布时间: 2005-10-17
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