等離子噴涂法制備碳-碳復合材料表面HA涂層技術的應用研究.pdf

1、碳/碳復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)定的化學性質(zhì)和高強質(zhì)輕的機械性能。但是，碳/碳復合材料單獨作為硬組織修復和重建材料仍存在不能與骨組織形成化學結合、長期植入生物體內(nèi)易產(chǎn)生"黑膚效應"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在碳/碳復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、細胞毒性評價和實驗動物骨內(nèi)植入實驗對羥基磷灰石涂層+碳/碳復合材料的生物學性能進行了綜合研究。同時，利用掃描電子顯微鏡(SEM)、光學顯微鏡、X射線衍射儀(XRD)和電子拉伸實驗機等研究了碳/碳復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、涂層結合強度、模擬體液浸泡過程中涂層結

3、構與組成的變化和種植體材料的骨組織相容性。 實驗結果表明，采用的聚丙烯腈(PAN)基碳/碳復合材料所含雜質(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/碳復合材料中的主要雜質(zhì)元素含量；所使用的碳/碳復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/碳復合材料進行X射線衍射實驗的結果表明，未經(jīng)熱處理的碳/碳復合材料的石墨化程度約為20﹪；而采用2400℃×2h石墨化處理的碳/碳復合材料的石墨化程度約為60﹪。

4、 通過采用不同噴砂預處理工藝的對比觀察發(fā)現(xiàn)，碳/碳復合材料的表面預處理工藝應采用5～11μm粒度的SiC砂、在0.2MPa載氣壓力條件下進行，這樣可以在不破壞碳/碳復合材料表面結構完整性的前提下，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合強度為4.93MPa。 采用等離子體噴涂法在碳/碳復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成的。碳/碳復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行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，采用600℃×10min的熱處理作為再結晶處理工藝較為適宜。體外細胞毒性檢測結果表明：碳/碳復合材料在進行等離子體噴涂羥基磷灰石涂層前后，其細胞毒性均為1級，符合國家對三類醫(yī)療器械的細胞毒性的規(guī)定要求。經(jīng)新西蘭白兔骨組織植入90天的組織學觀察結果表明，碳/碳復合材料及其表面羥基磷灰石涂層對動物骨組織無毒負作用，且不會引發(fā)炎性反應。該材料能與肌肉組織形成十分緊密的結合，并且驗證了等離子體噴