等離子噴涂法制備碳-碳復(fù)合材料表面HA涂層技術(shù)的應(yīng)用研究.pdf

1、碳/碳復(fù)合材料在繼承了碳材料固有的優(yōu)異生物相容性的同時，還具有與人體骨十分接近的彈性模量、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和高強(qiáng)質(zhì)輕的機(jī)械性能。但是，碳/碳復(fù)合材料單獨(dú)作為硬組織修復(fù)和重建材料仍存在不能與骨組織形成化學(xué)結(jié)合、長期植入生物體內(nèi)易產(chǎn)生"黑膚效應(yīng)"和與人體骨組織的顏色差別較大等不足。為了避免因碳/碳復(fù)合材料表面碳顆粒剝落造成性能下降，同時提高其生物活性，人們采用多種技術(shù)手段在其表面制備生物醫(yī)用涂層。羥基磷灰石因其具有優(yōu)異的骨組織相容性和生物活性

2、而被廣泛用于制備人工骨材料的表面生物活性涂層。本文采用等離子體噴涂技術(shù)在碳/碳復(fù)合材料表面成功制備出羥基磷灰石涂層，并通過模擬體液浸泡、細(xì)胞毒性評價和實(shí)驗(yàn)動物骨內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)對羥基磷灰石涂層+碳/碳復(fù)合材料的生物學(xué)性能進(jìn)行了綜合研究。同時，利用掃描電子顯微鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀(XRD)和電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)等研究了碳/碳復(fù)合材料及其表面等離子體噴涂羥基磷灰石涂層的制備工藝、表面形貌、相組成、涂層結(jié)合強(qiáng)度、模擬體液浸泡過程中涂層結(jié)

3、構(gòu)與組成的變化和種植體材料的骨組織相容性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用的聚丙烯腈(PAN)基碳/碳復(fù)合材料所含雜質(zhì)經(jīng)過檢測均符合植入材料的要求；石墨化處理可明顯降低碳/碳復(fù)合材料中的主要雜質(zhì)元素含量；所使用的碳/碳復(fù)合材料具有與正常人體皮質(zhì)骨十分接近的表面顯微硬度。對碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，未經(jīng)熱處理的碳/碳復(fù)合材料的石墨化程度約為20﹪；而采用2400℃×2h石墨化處理的碳/碳復(fù)合材料的石墨化程度約為60﹪。

4、 通過采用不同噴砂預(yù)處理工藝的對比觀察發(fā)現(xiàn)，碳/碳復(fù)合材料的表面預(yù)處理工藝應(yīng)采用5～11μm粒度的SiC砂、在0.2MPa載氣壓力條件下進(jìn)行，這樣可以在不破壞碳/碳復(fù)合材料表面結(jié)構(gòu)完整性的前提下，獲得具有較高粗糙度的表面形貌。在此條件下制備的等離子體噴涂羥基磷灰石涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度為4.93MPa。 采用等離子體噴涂法在碳/碳復(fù)合材料表面制備羥基磷灰石涂層時，用200mm/s的噴槍移動速度制備的羥基磷灰石涂層，平均厚度約76

5、μm。 X射線衍射分析表明，制備的羥基磷灰石涂層的組成相按照含量高低依次是：HA、α-TCP和β-TCP；涂層的結(jié)晶程度不高。熔融的羥基磷灰石顆粒在基體表面呈餅狀、平板狀或不規(guī)則的球狀形態(tài)。由于兩種材料熱膨脹系數(shù)差異較大，羥基磷灰石涂層中有大量微裂紋存在。高倍掃描電鏡的形貌觀察發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石顆粒是由大量納米尺度的微小晶粒構(gòu)成的。碳/碳復(fù)合材料在模擬體液中浸泡時，等離子體噴涂羥基磷灰石涂層的表面發(fā)生了HA．的溶解和新生相非均勻形核、長大

6、。對不同溫度熱處理后的試樣進(jìn)行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，采用600℃×10min的熱處理作為再結(jié)晶處理工藝較為適宜。體外細(xì)胞毒性檢測結(jié)果表明：碳/碳復(fù)合材料在進(jìn)行等離子體噴涂羥基磷灰石涂層前后，其細(xì)胞毒性均為1級，符合國家對三類醫(yī)療器械的細(xì)胞毒性的規(guī)定要求。經(jīng)新西蘭白兔骨組織植入90天的組織學(xué)觀察結(jié)果表明，碳/碳復(fù)合材料及其表面羥基磷灰石涂層對動物骨組織無毒負(fù)作用，且不會引發(fā)炎性反應(yīng)。該材料能與肌肉組織形成十分緊密的結(jié)合，并且驗(yàn)證了等離子體噴