改性羟基磷灰石增强超高分子量聚乙烯复合材料的制备与性能研究

论文摘要

羟基磷灰石（HA）是人体硬组织的主要无机组分,具有良好的骨传导性和生物相容性。通常将HA与高分子材料制备成复合材料,以它们力学性能的互补性来解决HA脆性大、耐冲击性差等缺点,同时又发挥了HA良好的生物性能这一优点。这类材料被广泛地应用于骨缺损修复。但是由于HA与高分子材料表面性质存在差异,使得两者间的界面结合性较差。在植入体内后,界面处容易发生破坏,使材料失效。为了解决HA与高分子基体界面结合性差的问题,通常对HA进行表面改性处理。如采用硅烷偶联剂对HA表面改性处理后,可以改善与高分子的亲合性。其次使用表面活性剂对HA进行表面改性处理可以改变HA表面的亲水性,从而提HA与高分子的亲合性。本文首先采用硬脂酸（SA）对HA进行表面改性处理,探讨其改性机理。然后用改性后的HA与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）制备复合材料,来研究SA和HA含量对HA/UHMWPE复合材料性能的影响。首先选用SA对HA进行了表面改性处理,采用XrD、TEM、FTIR、XPS以及活化率测试等方法对HA进行了表征。结果表明,改性前后HA的XRD图谱和微观形貌都没有发生明显变化,这表明在改性过程中HA的晶体结构没有被破坏。FTIR结果表明,改性后的HA表面出现了新的-COO-的振动峰,这说明SA与HA表面的钙离子反应形成了离子键。XPS结果表明,HA表面各元素结合能发生了变化,Ca2p、P2p结合能向高能方向发生了位移,这说明这些元素所处的化学环境发生了变化。以上结果表明,SA与HA表面元素形成了化学键,从而接枝在了HA表面。活化率测试表明,随着SA含量的增加HA的活化率逐渐上升,当SA含量为3%时,活化率已达99%以上,继续增加SA含量活化率基本保持不变。采用球磨混合与热压成型的方法将改性处理后的HA与UHMWPE制备成了复合材料,用XRD、SEM以及力学性能测试等方法对HA/UHMWPE复合材料进行了表征。XRD结果表明,在复合材料制备过程中,HA与UHMWPE没有发生化学反应,HA的结构也没有被破坏。SEM结果表明,改性后的HA与UHMWPE基体有良好的结合性。力学性能测试结果表明,随着SA和HA含量的增加复合材料的弹性模量呈上升趋势。但拉伸强度与冲击强度均有不同程度的下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物材料简介
• 1.2.1 生物陶瓷材料
• 1.2.2 生物金属材料
• 1.2.3 生物高分子材料
• 1.2.4 生物复合材料
• 1.2.5 生物衍生材料
• 1.3 高分子基生物复合材料研究现状
• 1.3.1 HA/PLLA复合材料
• 1.3.2 HA/PMMA复合材料
• 1.3.3 HA/CS复合材料
• 1.3.4 HA/PVA复合材料
• 1.3.5 HA/HDPE复合材料
• 1.3.6 HA/UHMWPE复合材料
• 1.3.7 其它种类HA/高分子复合材料
• 1.4 HA表面改性研究现状
• 1.4.1 HA的结构和特性
• 1.4.2 硅烷偶联剂对HA的表面改性
• 1.4.3 硬脂酸对HA的表面改性
• 1.4.4 HA的其它改性方法
• 1.5 本论文的意义及研究内容
• 第二章 HA表面改性研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验所需材料
• 2.2.2 实验所需仪器设备
• 2.2.3 HA表面改性过程
• 2.2.4 HA的微观表征
• 2.2.5 HA的活化率测试
• 2.3 实验结果及讨论
• 2.3.1 HA的XRD分析
• 2.3.2 HA的微观形貌
• 2.3.3 HA的表面结构变化
• 2.3.4 HA表面元素结合能的变化
• 2.3.5 HA的活化率
• 2.4 本章小结
• 第三章 HA/UHMWPE复合材料的制备及SA含量对其性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验所需材料
• 3.2.2 实验所需仪器设备
• 3.2.3 实验过程
• 3.3 实验结果及讨论
• 3.3.1 原始粉末的微观形貌
• 3.3.2 复合材料XRD分析
• 3.3.3 复合材料断面微观形貌分析
• 3.3.4 复合材料的力学性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 HA含量对HA/UHMWPE复合材料性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.3.1 复合材料XRD分析
• 4.3.2 复合材料断面微观形貌分析
• 4.3.3 复合材料的力学性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间研究成果