碳纤维增强HA/β-TCP复合生物材料的研究
Study on HA/β-TCP Composite Biomaterials Reinfored by Carbon Fiber
磷酸钙生物陶瓷材料具有良好的生物活性和生物相容性,且对人体无毒、无刺激、无致癌作用.另外,磷酸钙生物陶瓷材料可以通过生物化学反应与人体骨形成牢固的骨性结合.因此,磷酸钙生物陶瓷材料作为骨修复和替代材料已经成为各国科学家关注的热点.羟基磷灰石具有良好的生物相容性、生物活性和生物无毒性,是一种理想的人体硬组织替代材料.但纯HA的力学性能差,在生理环境中抗疲劳性差,难以满足临床医学应用的要求,限制了其应用范围.因此,为了改善HA生物材料的力学性能,提高材料生物降解特性,可以将碳纤维作为增强相制备力学性能和生物性能良好的碳纤维增强HA/β-TCP复合生物材料.本论文以Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4为原料,采用湿化学沉淀法制备HA和β-TCP粉体.采用低温氧化法和浓硝酸浸泡法对碳纤维进行氧化处理.将原料HA和β-TCP按质量比1:1均匀混合,在此基础上添加不同量的碳纤维,研究其加入量、烧结温度和保温时间对碳纤维增强的HA/β-TCP复合生物材料性能的影响.通过扫描电子显微镜对氧化处理前后的碳纤维的微观形貌进行观察和分析,结果表明:采用低温氧化处理和浓硝酸浸泡法能够使碳纤维表面产生明显的凹槽,增加表面粗糙度和比表面积,从而提高碳纤维和基体的界面结合能力.利用收缩率、抗压强度及抗折强度测试来分析碳纤维增强的HA/β-TCP复合生物材料的力学性能;用PHS-25数显pH计测试模拟体液pH值的变化,分析碳纤维增强的HA/β-TCP复合生物材料的生物性能;通过XRD测试、SEM观察分析烧结前后和模拟体液浸泡后碳纤维增强的HA/β-TCP复合生物材料的物相组成和微观结构.实验结果表明:在HA/β-TCP复合生物材料中添加适量的碳纤维能够提高材料的力学性能.随碳纤维含量的增加,HA/β-TCP复合材料的抗压强度增加,抗折强度先增加后下降,碳纤维含量达到1%时抗折强度达到最大值.随烧结温度的升高,抗压强度与抗折强度先增加后减少,在温度为1250℃达到最大.抗压强度和抗折强度均随着保温时间的增加而增大,且均在3h时达到最大值.当添加1.5%的Cf,1250℃烧结1h时,复合材料的抗压强度达50.65MPa;当添加1%的Cf,1250℃烧结2h时,复合材料的抗折强度达45.97MPa.经XRD和SEM图像分析表明,适量的添加碳纤维能够抑制高温烧结时羟基磷灰石的分解和β-TCP的转变,从而提高复合材料的物相稳定性、抗压强度和抗折强度.在HA/β-TCP复合材料中加入碳纤维后,模拟体液的pH值上升,然后趋于稳定.
- 作者：
- 张睿
- 学位授予单位：
- 大连工业大学
- 专业名称：
- 材料学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 王志强
- 中图分类号：
- TB332
- 关键词：
- HA/β-TCP；复合生物材料；碳纤维；抗压强度；抗折强度；模拟体液浸泡
- HA/β-TCP；composite biomaterials；carbon fiber；compressive strength；flexural strength；Simulated body fluid immersion