编号：CYYJ043976
篇名： 力学增强型羟基磷灰石陶瓷构建及生物学性能研究
作者： 李琪鹏
关键词： 羟基磷灰石; 力学性能; 纳米陶瓷; 石墨烯; 光热抗菌; 生物性能;
机构：四川大学
摘要： 羟基磷灰石（HA）是人体硬组织的主要无机成分,生物相容性优异,能与宿主骨形成化学键合界面,作为支架和载体等被广泛用于骨组织工程等生物医学领域。但是,HA陶瓷的脆性导致其力学性质欠佳,断裂韧性不足使得其只能被应用于非承力部位的骨填充和修复,如何改善其力学强度的同时提高其生物活性或多功能化是近些年研究者们关注的热点。纳米陶瓷的制备是改善陶瓷力学性能的有效方法,而且纳米陶瓷在生物学方面也表现出一定的优势。制备HA纳米陶瓷的难点在于分散性优异的纳米粉体的合成和高温烧结时陶瓷晶粒异常长大的精准控制,目前较为常用的烧结工艺是微波烧结和两步烧结,需要根据粉体和所需陶瓷性能的实际情况进行优化确定。另外利用热处理方法来提高陶瓷也是一种有效可行的方法,但是热处理应用于HA陶瓷研究较少。在保持良好力学性能的同时提高其生物性能也是当前HA生物陶瓷研究的重点,此外,赋予生物陶瓷一定的治疗功能,如抗菌或抗肿瘤等也是当前研究的热点。 本文针对HA生物陶瓷力学性能不足的局限性,首先从HA粉体出发,采用低温预烧提高粉体结晶度,发现600℃预烧的粉体结晶度提高,烧结得到的陶瓷相对密度更高,微气孔少,表面更加平整,证实了预烧的有效性。后进行粉体梯度离心,发现采用20000 rpm离心速率可以成功制备分散性良好的纳米HA粉体,烧结结果也证实了其制备纳米陶瓷的潜力。随后采用两步烧结工艺制备纳米陶瓷,针对本文所制备的纳米粉体进行了工艺参数确定,最终探索出最优的两步烧结工艺为T1=1050℃不保温,T2=950℃保温2 h,成功制备了平均晶粒尺寸为95.43±46.20 nm,相对密度94.94±2.20%的超细均匀纳米HA陶瓷,力学性能结果证实了其能够显著提高陶瓷的断裂韧性和显微硬度。随后采用热处理能够进一步提高HA陶瓷的致密度,发现淬火对HA陶瓷的硬度和抗压强度提升明显。 随后选用力学性能和生物性能优异的石墨烯作为第二相,通过原位制备石墨烯HA复合生物陶瓷进一步提高力学性能的同时赋予HA生物陶瓷抗菌性能。实验结果证明,HA石墨烯复合陶瓷具有良好的稳定性,低温不被破坏和变形,石墨烯在陶瓷基体中均匀分布,起到了增韧增强的作用,力学性能表明,其硬度和断裂韧性均得到加强,弯曲强度和抗压强度有显著性提高。此外由于石墨烯具有良好的光热性能,体外生物学评价发现,HA石墨烯复合生物陶瓷具有优异的抗菌能力,对金黄色葡萄球菌的抑制率达到90%以上,细胞实验发现,其支持MC3T3-E1细胞的贴附、铺展和增殖,对成骨细胞有促进作用,生物相容性良好。体内动物评价结果表明,HA石墨烯复合生物陶瓷在经光热治疗后能够有效避免组织感染的发生,骨缺损修复结果证实了复合陶瓷在植入兔股骨2个月后能够大量诱导新骨生成,材料与周围宿主骨有较好的结合。 综上所述,本研究成功制备了力学增强型的HA生物陶瓷,并赋予HA陶瓷抗菌和促成骨的功能,在改善了HA陶瓷脆性的同时优化了HA陶瓷的生物性能,为突破HA陶瓷在承重骨领域的应用受限和抗菌功能的赋予提供了一种思路,对HA陶瓷的发展和临床应用具有一定的指导意义。