羟基磷灰石纤维自充填多孔生物陶瓷的制备与表征

论文摘要

羟基磷灰石（hydroxyapatite,简写为HA）,与人体硬组织有相似的化学成分,具有良好的生物相容性、生物活性以及骨诱导性。多孔HA陶瓷的孔隙结构能够为纤维细胞和骨细胞向内生长提供通道和空间,孔隙连通有利于组织液的微循环并为新生骨提供营养,诱导成骨细胞在孔壁上生长,加速了新骨组织的形成,但是纯的多孔HA陶瓷,脆性大、强度低,限制了其在承载部位的应用。因此,研究多孔HA陶瓷的增强问题十分紧迫而且意义重大。本文研究了用于多孔HA陶瓷增强的同质HA纤维以及含有HA纤维的多孔HA陶瓷的成型工艺。采用甲壳素溶胶-凝胶体系制备HA纤维,通过正交试验优化纤维的成型工艺,并对纤维进行表面裂纹化处理。将制备所得的HA初生纤维,与同样工艺获得的HA料浆混合,制备HA纤维自充填多孔生物陶瓷初坯,经高温烧结后得到HA纤维自充填多孔陶瓷。本研究利用X射线衍射仪（XRD）分析样品的相组成；利用光学显微镜以及扫描电子显微镜（SEM）观察样品的表面形貌；通过直接称重体积计算法测定多孔体的孔隙率；使用万能材料实验机测试样品的抗压强度。研究结果表明：1.HA初生纤维制备工艺参数,HA浓度为10%（w/v）；CT（Chitin）浓度为0.8%（w/v）；凝固浴（蒸馏水）,温度为30-50℃,凝固时间大于10s。纤维直径、纤维形貌特征主要受原料及工艺影响。随着浆料中HA浓度的增加,出现了颗粒的团聚；凝固浴的温度过高或过低都会影响纤维的性能。HA纤维经过乙酸和超声波处理后,达不到实验预期的裂纹化效果,纤维在使用前不宜处理。2.以甲壳素作载体,采用凝胶注模成型法制备三维多孔HA陶瓷。造孔剂的形状、尺寸以及添加量对多孔体的孔径及其分布、孔隙率影响最大。实验所制得的多孔体,孔径尺寸主要分布在350～600μm；贯通孔的孔径分布在60-190μm；孔隙率均大于60%。随着孔隙率的增大,多孔体的抗压强度下降；当孔隙率增加到80%时,抗压强度不足1MPa;多孔体的最大抗压强度约为3.4MPa。3.通过凝胶注模成型工艺,将HA初生纤维与HA/CT浆料混合注模成型后,经高温烧结得到HA纤维自充填多孔陶瓷。XRD验证了纤维与多孔体中的HA粉粒在烧结后均未发生分解。纤维充填的多孔体在烧结后尺寸收缩35～40%（未充填时收缩了55～60%）。纤维充填型多孔体的孔径分布在347-443μm，贯通孔孔径分布在102～118μm。造孔剂的添加量对多孔体的孔隙率影响较大,少量纤维的加入反而提高了其贯通性。烧结后的SEM照片显示纤维在多孔集中部位起到了搭桥连接的作用,且与基体没有发生相界面的分离。在相同的气孔率下,纤维自充填型多孔体在一定的气孔率范围内实现了增强效果,最大抗压强度约5Mpa。使用该方法适宜制备气孔率在80%以下的多孔HA陶瓷,且不宜混入较多的初生纤维。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物材料
• 1.2.1 生物材料的种类及要求
• 1.2.2 生物陶瓷及其应用
• 1.3 羟基磷灰石及其多孔材料
• 1.3.1 羟基磷灰石
• 1.3.2 多孔羟基磷灰石陶瓷及制备
• 1.3.3 多孔羟基磷灰石的应用
• 1.4 复合材料的增强
• 1.4.1 纤维增强陶瓷基复合材料的原理
• 1.4.2 纤维增强羟基磷灰石复合材料
• 1.4.3 羟基磷灰石陶瓷纤维及制备
• 1.5 本课题研究的设计思路
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 羟基磷灰石陶瓷纤维的制备与表征
• 2.1 甲壳素作载体制备羟基磷灰石陶瓷纤维的原理
• 2.2 实验原料及设备
• 2.2.1 原料与试剂
• 2.2.2 仪器设备
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 溶胶-凝胶法制备陶瓷纤维
• 2.3.2 羟基磷灰石纤维的表面改性
• 2.3.3 羟基磷灰石纤维的烧成
• 2.3.4 羟基磷灰石陶瓷纤维的表面改性
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 正交试验法优化纤维的成型工艺
• 2.4.2 工艺参数对纤维成型的影响
• 2.4.3 后处理工艺对纤维表面形貌的影响
• 2.4.4 本章小结
• 第三章 多孔羟基磷灰石陶瓷的制备与表征
• 3.1 实验设计
• 3.1.1 原料选用
• 3.1.2 工艺设计
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 实验原料与设备
• 3.2.2 凝胶注模成型法制备多孔羟基磷灰石陶瓷
• 3.2.3 多孔羟基磷灰石陶瓷的结构及性能测试
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 多孔羟基磷灰石陶瓷成分与形貌分析
• 3.3.2 多孔羟基磷灰石陶瓷的孔隙率
• 3.3.3 多孔羟基磷灰石陶瓷的抗压强度
• 3.4 本章小结
• 第四章 纤维充填多孔羟基磷灰石陶瓷的制备与表征
• 4.1 实验设计
• 4.1.1 纤维的选用
• 4.1.2 工艺设计
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 纤维充填型多孔羟基磷灰石陶瓷的制备工艺
• 4.2.2 多孔体的结构分析及性能测试
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 纤维充填型多孔羟基磷灰石陶瓷物相、表面形貌分析
• 4.3.2 纤维充填型多孔羟基磷灰石陶瓷的孔隙率
• 4.3.3 纤维充填型多孔羟基磷灰石陶瓷抗压强度
• 4.4 本章小结
• 全文主要结论
• 对今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文